两种岩体结构面抗剪强度参数取值方法对比分析

蒋明杰

岩石抗剪强度通常分为岩块、岩体与结构面强度。岩块抗剪强度是指不包含节理裂隙在内的岩石强度，强度相对最高;岩体抗剪强度考虑了岩石中存在的节理裂隙，强度相对较低;结构面强度是指岩体中结构面强度，强度最低。对于岩体边坡来说，结构面强度往往起着控制作用，所以确定结构面的抗剪强度成为稳定分析中最重要的事情［1］。

为准确的确定结构面的抗剪强度参数，国内外广大学者已经做过大量的研究，提出了经验法、反算法、试验法等几种方法。其中试验法是最有效、最准确的确定方法，但有些工程由于受到条件限制，无法进行现场原位试验，或很难直接得出与实际相符的强度指标［2］，本文只讨论经验法和反算法。本文就同一边坡结构面进行计算分析，确定结构面计算参数c，φ值，并对比两种方法的差异。

1 分析方法

1.1 经验法

经验法是目前应用最广泛，也是诸多国标规范中采用的，表1列出文献［3］中有关结构面参数的取值。

应用此方法时，首先根据现场调查结构面的张开度、胶结及充填情况，查表2判断结构面的结合度，再查表1确定结构面抗剪强度指标的范围，最终确定一组值。此方法对个人经验、地区经验、现场调查的详细程度的要求较高。

表1 结构面抗剪强度指标标准值

表2 结构面的结合程度

1.2 反算法

反算法是通过已知稳定系数及结构面等条件情况下，反算结构面的抗剪强度参数。

反算的方法一般分为两种，一种是反算整个结构面抗剪强度参数的平均值，反算采用的公式视滑面来定，由于c，φ值是两个未知数，因而必须先假定一个未知数，再求另一个未知数;另一种反算法的基本原理是视滑坡将要滑动而尚未滑动的瞬间坡体处于极限平衡状态，列出滑坡主轴断面的极限平衡方程求取结构面的强度参数c，φ值。徐邦栋等人已经对滑坡在不同发育阶段的安全系数推荐值做过深入研究，采用极限平衡理论分析，当滑坡处于刚滑动阶段时，取其稳定系数为 1.0［4－6］;同时，采用边坡出现失稳迹象的最高水位作为反算的地下水位，选择结构面作为反算的滑面。

文献［1］中提出，为了用一个公式求一个未知数，按滑体厚度假定粘聚力c值，如表3。

表3 滑体厚度与粘聚力c值

应用此方法时，要根据现状边坡的变形特征来选取稳定性系数，根据边坡高度和滑体厚度来选取粘聚力c值。这两个对反算法计算结果起着决定性影响的数值的选取也是根据经验来进行的。

2 工程实例

2.1 工程概况

贵州省威宁县某公路边坡k0+480～k0+520段右侧，边坡高H约为33.3 m，顶部为0.5～1.5 m土层，下部为石灰岩，岩体呈中风化，节理裂隙发育，宽度0.2～10 cm不等，岩屑充填，偶见溶蚀蜂孔、晶洞。岩体较完整，钻进稳定，岩芯以短柱状、长柱状为主，少量块状。重力密度γ=26 kN/m3。根据岩石饱和抗压强度试验报告，为较硬岩。岩体结构面外倾，产状为40∠30。开挖边坡坡率为1∶0.75，即坡角为 53.13°。

坡面形式如图1所示。

分析该边坡滑动方式及上部土层的破坏形式，考虑最不利情况，把边坡顶部土层看作与下部岩性一致的石灰岩。由于边坡岩性一致，考虑岩质边坡滑动的特性，假定岩体按平面滑动，稳定系数可按下式计算:

图1 边坡平面滑动法计算简图

式中:Ks为稳定系数;W为滑动岩体重，kN;α为滑面倾角，(°);c、φ 为滑面粘聚力，kPa、摩擦角(°)。

2.2 经验法确定结构面抗剪强度参数

查表2可知，该结构面为结合程度一般。查表1可知，结构面抗剪强度指标中摩擦角φ(°)值宜取18～27，粘聚力c(kPa)值宜取90～50。结合表1标注，可取 φ =18°，c=50 kPa。

滑动岩体重:

结构面长度:

计算得W=14 156.78 kN，L=66.6 m，代入式(1)则边坡稳定性系数Ks=1.03。

2.3 反算法确定结构面抗剪强度参数

采用极限平衡理论分析，取边坡将要滑动而尚未滑动的瞬间稳定性系数Ks=1.00。假定倾角为α的结构面为滑坡主轴断面。按滑体厚度假定粘聚力c值有着丰富的实践经验。

滑体厚度:

根据表3假定结构面内聚力值，c=16.5 kPa。

则由式(1)可得:

由式(4)可得: φ =26.04°。

反算法计算出的内摩擦角数值与经验法取值存在着差异。产生此情况的主要原因是反算法计算过程中的Ks、c值都是根据现场情况假定的，它们的取值过程也与人的主观因素有关。

2.4 两种方法取值对比

两种取值方法的计算得出的参数对比如表4。

表4 坡高33.3 m的参数取值

可见，由经验法计算出的边坡稳定性系数在与反算法给定的稳定性系数一致时，两种方法所确定的结构面抗剪强度参数有较大的差异。但此时反算法计算出的φ值在经验法推荐的φ值取值范围内。

3 讨论

分别调整上述边坡的高度为H=15 m、H=50 m，用反算法计算时选取不同的稳定性系数计算得出结果进行对比。如表5、表6。

表5 坡高15 m的参数取值

表6 坡高50 m的参数取值

可见，随着边坡高度的变化，应用经验法时结构面抗剪强度参数取值不变，但边坡稳定性系数有很大变化;应用反算法时，粘聚力c值随着坡高变化，摩擦角φ值则随着选取的稳定性系数变化。因此在应用反算法时，如何选取一个可靠的稳定性系数对于准确计算结构面参数是很重要的。

边坡越稳定，稳定性系数越大，用反算法时稳定性系数就越难准确取值，计算出结构面的c、φ值与实际相差较大，确定的参数对工程意义相对较小，此时不宜用反算法;边坡越危险，稳定性系数越小，此时根据边坡变形特征可较准确选取稳定性系数值，并且能较准确确定滑面位置，因此用反算法可较准确确定滑面c、φ值，对工程有较大的实际意义，故此时宜用反算法。

4 结论

1)经验法确定的结构面抗剪强度参数依据个人经验、地区经验、现场调查的详细程度等取值，不同的人取值会有很大的差异;反算法计算出的结构面抗剪强度参数与所取稳定性系数有关。实际工作中应结合结构面室内试验资料和两种方法取值，综合确定结构面抗剪强度参数。

2)经验法更适用于新开挖边坡和较稳定边坡的防护设计中，反算法更适用于现状危险滑坡治理中。

［1］郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］任伟中，金亚兵，冯光平，等.滑(边)坡稳定性评估探讨［J］.岩土力学，2010(7).

［3］GB 50330－2002，建筑边坡工程技术规范［S］.

［4］曾 铃，蒋中明，付宏渊.边坡潜在滑动面抗剪强度参数反演研究［J］.中外公路，2011(2).

［5］童志怡.岩质边坡滑动面力学参数的取值理论和方法研究［D］.北京:中国科学院研究生院，2009.

［6］郑明新.论滑带土强度特征及强度参数的反算法［J］.岩土力学，2003(4).