饱和状态下岩体抗剪切特性试验研究
李克钢，侯克鹏，张成良
(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明，650093)
摘 要：采用自制的试验装置对饱和状态下的岩体试件进行剪切试验，绘制出相应的变形和强度曲线，得出饱和状态下岩体的抗剪性能参数，并将其与天然状态时的结果进行对比，以便定量地分析各参数的下降幅度。试验结果表明：岩体抗剪强度不仅与岩体所受法向应力有关，而且与岩体含水量有关；饱和状态下岩体的抗剪强度比天然状态时的抗剪强度平均减小11.17%；与天然状态相比，粘聚力c、内摩擦角φ的变化也比较明显，c平均下降16.09%，φ平均下降10.02%。这充分说明在降雨条件下，尤其是大降雨发生时，岩体失稳的可能性会大大增加，这也正是地质灾害经常在降雨后发生的主要原因。
关键词：岩体；饱和状态；抗剪特性；剪切试验
中图分类号：TU458.3 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)02-0538-05
Experiment study on shear characteristics of saturated rock mass
LI Ke-gang, HOU Ke-peng, ZHANG Cheng-liang
(Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)
Abstract: By using homemade experiment equipment, the shear test of saturated rock masses was carried out, the deformation and intensity curves of different samples were drawn, and the values of shear parameters in saturation were obtained. Compared with the results in natural state, the decline extent of shear parameters was analyzed quantitatively. The test results show that the shear strength of rock mass is relevant to not only positive stress but also to water content of the rock mass. The shear strength of rock mass in saturation decreases by 11.17% averagely compared with that in the natural state, and the decreased extents of cohesive force and internal frictional angle are also obvious in saturation: The average decreasing rate of cohesive force and the internal frictional angle are 16.09% and 10.02%, respectively. It is demonstrated that the possibility of destabilization of rock mass will greatly increase under rainfall conditions, in particular the large rainfall occurs, and this is also the main reason why geologic hazards often occur after rainfall.
Key words: rock mass; saturation; shear characteristics; shear test
大量工程实践证明，大多数边坡岩体的破坏和滑动都与水的作用密切相关，在冰霜解冻和降雨季节，滑坡灾害较多，这充分说明水是影响边坡岩体稳定性的重要因素[1-5]。对于含有大量裂隙或大的结构面的岩体，水对岩体强度的影响更加显著。因此，必须加强水对岩体强度及其变形特性影响的研究，以了解水对岩体的作用机理及饱和状态下岩体强度特性[6-7]。粘聚力c和内摩擦角φ是反映岩体抗剪性能的重要指标，其值降低也是导致岩体在含水状态下出现失稳破坏的重要因素。目前，人们对岩体抗剪参数的研究主要集中于这些参数值的选取[8-10]，而对在不同含水状态下的参数变化情况研究得很少。为此，本文作者运用自制的压剪试验装置对某工程岩体试件进行抗剪试验，分析水对岩体强度的影响程度；通过将饱和状态与天然状态时的c及φ进行对比，定量地给出其变化幅度，以期为工程实际提供理论依据。
1 试验方法
1.1 试验装置
本次试验的试件取自重庆某边坡工程，岩体试件上盘为粉质泥岩，下盘为砂岩，在泥岩与砂岩之间有一天然结构面，加工成形后的岩体试件的长×宽×高为200 mm×200 mm×400 mm。
采用自制的试验装置(见图1)进行试验。由于该试验装置体积较小，运输方便，所以，既可以用于做室内试验，又可以进行室外的中型剪切试验，从而达到简单、快速、准确地测定结构面的抗剪参数的目的。该实验装置的框架采用“U”型钢焊接而成，分别利用液压千斤顶实现对岩体试件施加法向加载和切向加载，其中垂直最大载荷可达100 kN，水平最大载荷可达50 kN，且2个方向的载荷可任意独立调节，并通过钢垫板将载荷传递至岩体试件，以保证所加载荷为均布荷载。另外，在垂直方向上2块垫板间还设置了滚轴，以尽量减小岩体试件在剪切滑移中钢垫板与岩体试件间的摩擦阻力。在试件的中央水平位置两边，各安装了1个大量程的百分表，以获得结构面的水平剪切位移，所测2个位移的算术平均值即视为岩体试件的水平剪切位移[11]。
1—试件；2—节理面；3—水平千斤顶；4—滚轴；5—垫板；6—垂直千斤顶；7—框架；8—位移表；9—千斤顶支架
图1 压剪试验装置图
Fig.1 Equipment of shear test
1.2 试验方法
在通常情况下，边坡往往在自然状态(无降雨时)的稳定性较好，而一旦有大的降雨发生，或当岩体处于饱和状态时，其稳定性会大大降低，从而引起灾害发生。因此，本次试验重点研究岩体在饱和状态下的强度特性。通过与天然状态进行对比分析，了解岩体强度在饱和状态时的变化情况。根据相关试验规范，饱和试件的具体制作方法是：在常温状态下，将试件放置于水中，让其浸泡时间不低于2 d，最终使试件水分充分饱和。
试验过程按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—99)进行，即在常温下，先逐级加载法向力到预定值，直到其稳定后，再分级施加切向应力。2次加载间隔时间为5 min左右，当压力表指针稳定后，再进行下一级加载。另外，在试验过程中，要时刻注意法向压力表的计数，使其保持恒定，以确保所测数据的正确性。
2 试验结果与分析
2.1 变形特性
本次试验共选取4个试件(k1，k2，k3，k4)。在试验过程中由于试件k1出现了损坏，因此，本次仅用k2，k3和k4 3个试件的试验结果进行分析。图2所示为相同试验条件下不同试件的剪切力-剪切位移曲线。从图2可以看出，在加载初期，曲线呈线性增长，表现为弹性，剪切刚度可视为常量；随着剪切力的增加，曲线呈非线性变化，位移随着剪切力的增加明显增大，曲线斜率开始变小；当剪切力达到一定值时，剪切位移突然增大，试件发生大幅度滑移，这时，曲线斜率趋近于0，剪切刚度也随之降为0，说明试件的抗剪能力丧失，即试件发生破坏。此外，每个试件在不同法向力下的剪切力-位移曲线的变化轨迹也较相似：在法向力由3.29 kN升高到13.15 kN的过程中，剪切力-剪切位移曲线的斜率依次增大，剪切力峰值点依次提高，说明随着法向力的增大，岩体的抗剪强度也随之增大；要使试件产生相同的剪切位移，随着法向力的增大，需要的剪应力也越来越大。这与理论结果相符。
试样: (a) k2; (b) k3; (c) k4
法向力/kN: 1—3.29; 2—6.58; 3—9.86; 4—13.15
图2 饱和状态下k2, k3和k4试件剪切力-位移曲线
Fig.2 Shear loading-displacement curves of samples in saturation
2.2 不同含水量时的变形曲线对比
由于在同一法向力作用下，不同含水量的剪切位移曲线的变化趋势都基本相似，因此，只选取试件k3在法向力6.58 kN作用下的剪切力-剪切位移曲线进行说明，如图3所示。可见，在天然状态和饱和状态这2种情况下曲线的变化趋势基本一致，但岩体试件在天然状态时的抗剪强度要比在饱和状态时的大。这是因为随着岩体试件含水量的增大，水对岩体产生了润滑作用，降低了滑面的摩擦因数，从而使摩擦力也相应减小。从图3还可看出，在饱和状态下，相同剪切力作用产生的剪切位移比自然状态的大，因此，一些工程实际中的岩体在天然状态下虽然比较稳定，但是，一旦出现降雨，即使外部条件未发生任何改变，岩土体仍有发生破坏的可能。
1—天然状态；2—饱和状态
图3 法向力为6.58 kN时k3在2种状态下的剪切力-位移对比图
Fig.3 Shear loading-displacement curves of k3 in two states when normal force is 6.58 kN
2.3 强度特性
各试件在饱和状态下的强度曲线如图4所示。各试件强度曲线的整体变化趋势基本类似，数据离散性不大。抗剪强度随着法向应力的增加而增大，并且法向应力每增加1级，抗剪强度的变化幅度也较接近。
试样: 1—k2; 2—k3; 3—k4
图4 饱和状态时各试件的强度曲线
Fig.4 Intensity curves of samples in saturation
通过强度曲线求解岩体结构面抗剪参数c和φ的方法有点群中心法、优定斜率法、随机-模糊法和模糊回归法等[12-15]，本文采用应用最为普遍的最小二乘法求解。为了说明在饱和状态下岩体抗剪参数的变化幅度，将其与天然状态下的变化幅度进行对比，分析对比结果见表1。可见：
表1 不同状态下试样k2，k3和k4的力学参数对比
Table 1 Comparison of mechanical parameters for sample k2, k3 and k4 in different states
a. 饱和状态下岩体试件的抗剪强度与天然状态时的相比明显降低，其中，试件k2在饱水后抗剪强度下降10.49%，试件k3下降14.07%，试件k4下降8.96%，平均下降幅度为11.17%。
b. 试样k2，k3和k4的粘聚力c在饱和状态下也比在天然状态下大大降低，其下降幅度分别达到19.22%，21.13%和7.92%，平均下降16.09%。
c. 试样k2，k3和k4的内摩擦角φ的变化幅度也比较明显，在饱和状态的内摩擦角比在天然状态的内摩擦角分别降低8.16%，12.99%和8.90%，平均降低幅度为10.02%。
可见，在岩体处于饱和状态下，岩体的粘聚力和内摩擦角都显著下降，说明含水量会显著影响岩体强度，从而引起岩体强度降低。该分析结果表明，即使在岩体所处的外界环境没有任何改变，一旦发生大的降雨，由于雨水的入渗作用，会导致岩体强度显著降低，从而引起岩(土)体失稳、破坏。
3 结 论
a. 在试件受力变形初期，剪切变形近似为弹性，但随着剪切力的增加，剪切位移速率明显增大，当剪切力达到某一值时，岩体抗剪能力迅速下降，岩体发生剪切破坏。
b. 岩体的抗剪强度与所受法向力成正比，与含水量成反比；在饱和状态下，岩体的剪切位移速率比天然状态下的剪切位移速率明显增大。
c. 与天然状态相比，饱和状态下岩体抗剪强度明显降低，平均减小11.17%，岩体粘聚力c、内摩擦角φ与天然状态时的相比分别平均降低16.09%和10.02%。这说明在降雨条件下，尤其是大降雨发生时，岩体稳定性会显著降低，灾害发生的可能性明显增大。
d. 本试验装置轻便，易于搬运，所以，还可以用于现场抗剪试验，以避免在试件运输过程中试件被 破碎。
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收稿日期：2008-04-05；修回日期：2008-07-05
基金项目：云南省教育厅科学研究基金资助项目(07C40062)
通信作者：李克钢(1978-)，男，山西介休人，博士，讲师，从事岩土工程与地下工程的研究；电话：0871-5171672；E-mail: likegang_78@tom.com
