岩体软弱结构面倾角对岩体强度的影响研究

摘 要：岩体当中经常会有软弱结构面存在，不同的软弱结构面倾角会对岩体的强度产生重要而直接的影响，进而影响工程结构的安全与稳定。文章对常用研究方法进行了对比分析，通过模型试验的方法对岩体软弱结构面的不同倾角对岩体的强度进行了研究，根据试验结果总结规律，并对工程建设当中如何减少或者消除软弱结构面倾角对岩体强度的影响提出了建议。

关键词：岩体；软弱结构面；倾角；模型试验

中图分类号：U455.4 文献标识码：A

一、前言

工程建设中经常会遇到不同的岩体，这些岩体都可以视为由结构体和结构面组成。结构体指岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体，结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质构造界面，比如层理、解理、节理、断层等，强度较低的结构面称为软弱结构面。结构面对岩体的强度等工程性质有非常不利的影响，特别是软弱结构面的存在，将使岩体的强度显著降低，对岩体的不利影响尤其巨大，进而影响到工程结构的安全与稳定。

软弱结构面的组数、密度、长度、走向、倾向和倾角都会对岩体的强度产生重要影响，软弱结构面的倾角对岩体强度具有明显的影响。对于边坡工程，当岩体软弱结构面的倾角大于边坡倾角时，边坡极易发生顺层滑坡，影响建设工程的安全与稳定。因此，在国家标准《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）中对岩质边坡的破坏形式和岩质边坡岩体稳定性分类时，都特别考虑了软弱结构面对岩体强度的影响。对于基础工程，软弱结构面倾角将直接影响岩体的强度和破坏形式，比如，当软弱结构面倾角成90°时，如果软弱结构面宽度较窄，其对地基岩体的不利影响将很小，而当软弱结构面倾角为45°时，岩质地基容易产生滑移剪切破坏。在地下工程中，由于洞室的开挖将增加地下岩体的临空面，进而改变软弱结构面的受力状态，洞室围岩很容易因为软弱结构面自身的软弱和倾角的不利影响而导致塌方。

从以上分析可以看出，软弱结构面倾角对岩体强度具有重要影响，进而对工程岩体的工程性质产生不利影响。因此，对岩体软弱结构面倾角对岩体强度的影响进行研究具有重要的意义。

二、研究方法

理论分析、数值计算、现场测试、模型试验是土木工程领域主要的四种研究方法，这四种方法都可以用于软弱结构面倾角对岩体强度影响的研究，但又各有所长。

理论分析的方法需要得到解析解较多，但工程实际当中，有时很难获得解析解。数值计算就是仿真分析，可以节约大量的人力物力和时间，过程准确，但由于土木工程的一些不确定因素，输入参数难以精确，还有模型简化等问题，存在一定局限性。现场测试能反应工程体的实际状况，常在工程施工过程中进行，投入较大，周期长。模型试验可使工程中发生的现象在实验室中再现出来，而且还可以对试验中主要因素进行独立控制。与现场实测相比，可进行方案的前期优化，具有省时、省力的优点。

模型试验的意义，可从五个方面加以说明：

（1）模型試验作为一种研究手段，可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界条件和自然条件的限制，做到结果准确。

（2）模型试验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系，并且有时可用来对原型所得结论进行校验。

（3）由于模型与原型相比，尺寸一般都是按比例缩小的，故制造加工方便，可节省资金、人力和时间。

（4）模型试验能预测尚未建造出来的实物对象或根本不能直接研究的实物对象的性能。

（5）当其他各种分析方法不能采用时，模型试验就成了现象相似性问题唯一的和更为重要的研究手段。

目前，国内陈静曦、冯君、张忠平、杨明亮、黄润秋等对边坡工程岩体当中的软弱结构面倾角对边坡岩体的稳定性进行了研究，并提出了解决实际工程的问题的一些方法。这些相关的研究，主要采用理论计算、数值模拟、现场试验与分析等方法。

日本京都大学足立纪尚等人模拟裂隙岩块试验研究了不同结构面对岩体强度的影响。这是采用模型试验这种方法对岩体软弱结构面进行研究的较早而又具有显著影响的代表。西南交通大学高波等人在研究隧道抗减震模型试验时，也曾对岩体中的软弱结构面进行了一定的模拟与研究，是国内为数不多的模型试验研究项目之一。

本课题的研究将通过岩体及其不同倾角的软弱结构面的模型试验，探索岩体软弱结构面倾角对岩体强度影响的一般规律。

三、模型试验

1.岩体及岩体软弱结构面倾角的模拟

本课题研究时采用C20高钛矿渣混凝土进行对岩体进行模拟，基配合比为：0.51∶1∶1.81∶3.68，即每方混凝土中，水175kg、水泥343kg、砂621kg、高钛矿渣1261kg。计划制作试件5组，每组3个，共计15个。模拟岩体的高钛矿渣混凝土配制采用人工计量、人工搅拌方式，直到混凝土满足和易性等要求为止。

本课题研究时，采用硬纸板模拟岩体当中的软弱结构面，通过调整硬纸板的位置来模拟软弱结构面在岩体当中的不同倾角。

2.模型试件的制作

模型试件采用标准的15cm试模盒进行制作，制作时应将试模盒清理干净，并涂刷脱模剂。

试模盒准备好后即可开始灌注模型。通过调整纸板的位置及强度测试时的抗压方向，可得到对岩体倾角分别为：0°、30°、45°、60°和90°的模拟，详见图1、图2、图3、图4、图5。图中斜线填充部分为纸板，用以模拟岩体结构当中的软弱结构面，其倾角分别为0°、30°、45°、60°和90°。图中箭头所指方向为抗压强度测试时荷载加载方向。

模拟岩体软弱结构面的纸板在水平面上均贯穿试件剖面，其长度可以根据倾角的不同以及几何关系进行计算求得，分别为15cm、17.32cm、21.21cm、17.32 cm和15 cm。通过计算和观察发现，0°和90°两组试件、30°和60°两组试件，其制作完全可以一样，只是在抗压强度试验加载时，分别加在两个互相垂直的不同方向上。

模型试件先采用人工进行捣固，这样方便混凝土料的增减以及模拟岩体软弱结构面的纸板的位置的固定。人工捣固完成后，再把试件放到振动台上进行振捣，以达到最大的密实度，见图6。

由于本次试验采用的是混凝土试件模拟实际岩体，而混凝土要达到规定的强度需要进行必要的洒水养护。混凝土试件的洒水养护从制作好24小时后开始进行，具体养护制度如表1。

3.模型试件的抗压强度测试

模型试验养护完成之后，通过万能试验机测定具有模拟结构面的模拟岩体的强度。试验完毕后，首先对模型试件的破坏形态进行了总结与分析。

经抗压强度测试，发现0°和90°倾角的模型试件破坏形态基本一致，令其为第一类，模型试件破坏形式主要是压坏，有了结构面（即纸板）的存在，试件的抗压强度降低了不少，但破坏形式基本没有变，都是抗压破坏，只是破坏前的变形量增加很多。

30°和90°倾角的模型试件破坏形态基本一致，令其为第二类模型试件破坏形式包括了抗压破坏，破坏后模型试件可见竖向裂缝，同时也有剪切破坏的现象发生，位于模型试件的纸板附近处的裂缝。

45°倾角的模型试件破坏形态可令其为第三类，模型试件破坏形式主要是剪切破坏，裂缝基本上沿着45°方向进行破坏。

强度测试所得数据如表2所示。每一倾角强度代表值一般以每组三个试件的计算强度值的平均值为准，但如果三个试件的强度试验值中，某个试件的值与平均值之差超过了平均值的30%，则应舍去，取剩余两个试件的计算强度值的平均值作为每一倾角强度代表值。

四、试验结果分析

岩体中有了结构面之后，强度明显降低。本次试验模拟岩体的混凝土强度标号为C20，实测强度20.5MPa。而实际有了结构面后的试件其强度只达到了设计强度的58%、49%、27%、43%和57%。

当岩体结构面的倾角为45°时，岩体的强度降低最多，达到了73%。这种现象的出现是因为在进行抗压强度测试时，45°岩体的剪切应力最大，而纸板正好处在这个方向上，相对于无结构面的混凝土试件，这个方向上的抗剪强度降低很多，所以模型试件就容易沿着这个方向发生剪切破坏，致使整个试件的抗压强度降低很多。有學者研究后表明：在低应力条件下，岩体的软弱结构面将对岩体的强度产生重要的影响[2]，当软弱结构面倾角在45°左右时影响更大，这与本次研究的结果相符。

五、结论和建议

试验结果表明，软弱结构面倾角为45°时，岩体的强度会受到极大影响，降低很多，在工程实践中必须加以重视。

因此，对于较大的软弱结构面，能避则避，以免软弱结构面引起岩体强度降低过多，导致边坡滑坡或者隧道坍塌。

对于不能绕避，或者通过论证不绕避的软弱结构面，工程结构应垂直于软弱结构面的走向通过，这样可以使工程结构穿过的软弱结构面厚度最小，从而软弱结构面的影响最小。

如果不能垂直于软弱结构面走向穿过软弱结构面，则应调整工程结构的平面位置和坡度，避免工程结构物的修建使软弱结构面成45°受压状态，因为45°受压时，软弱结构面的强度最低，对岩体的稳定和工程结构物的安全最不利。在工程实践中，遇到软弱结构面时，必要时可对软弱结构面进行注浆，增加软弱结构面的强度；或者采取管棚、超前小导管等措施使岩体稳定性增加，确保工程结构的安全与稳定。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑边坡工程技术规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2]张忠苗.工程地质[M].重庆：重庆大学出版社，2011.