辽宁省东煤测试分析研究院有限责任公司 110016
摘要：伴随我国经济腾飞的步伐，交通、能源等大型基础设施的建设也得到了快速发展。我国地域辽阔，各地域分布的岩性不同，地质条件也表现出差异。岩石作为一种天然材料，经历了地质建造和地质改造的过程，可能形成了节理、裂隙、空洞、层理等缺陷中的一种或者几种组合直接影响岩石或岩体的物理力学性质，由于各种不连续面的影响，岩体一般表现为非均值；岩体是赋存于一定地质环境中的地质体，由结构面和其所切割的岩块组成，它的抗剪强度特性是由结构面和岩块各自的特性共同决定的，而且，岩石的充填性质也会影响岩石的剪切力学特性。由于岩体具有非均质和各向异性，岩体力学参数的影响因素也是复杂多样的，为地层岩性、风化程度、结构面、粗糙度、裂隙发育程度及其组合形式、结构面的数量和形状、尺寸效应、地应力条件及加荷方向等多种影响因素的综合反映。剪切试验结果也容易遇到数据离散问题，确保数据合理性的根本仍在于试验样品代表性、试验方法的合理性。
关键词：抗剪强度指标；岩石剪切试验；复杂层状地基；层理；反演分析
引言
岩石的抗剪强度是边坡稳定性、地基强度和稳定性评价中的一项非常重要的指标，不同类型的岩体，岩石的抗剪强度特性是不同的，其中复杂层状结构岩石的抗剪强度是岩土工程研究的重点内容之一。工程中经常采用的岩石剪切试验方法包括室内试验和现场原位试验，由于试验约束条件不同，试验结果存在一定的差异。本文以某核电工程为例，该项目分别采用了室内试验和原位试验获取抗剪强度指标，通过对比分析试验结果及工程实践反演分析证明，对于地层组合复杂的沉积岩石，采用现场原位剪切试验，充分考虑了尺度效应和样品的代表性问题，所获取的成果更符合工程实际。
1室内试验
1.1室内直剪试验
本项目可行性研究阶段勘察按照岩性、岩性组合及风化程度，采取了有代表性的岩石进行了室内直剪试验，试验样品的选择兼顾了各种岩性及岩性组合。中等风化岩试验数量16 组；微风化岩试验数量17 组。
1.2室内三轴试验
厂区建（构）筑物布置最终确定后，按照厂房布置及试验测试要求开展更高精度的勘察，提供满足施工图阶段的地基计算及结构设计所需的岩土设计参数。为取得满足设计要求的准确、合理的试验数据，室内试验采用了岩石三轴试验，中等风化岩室内试验数量 21 组；微风化岩试验数量 36 组。
2现场直接剪切试验
现场直接剪切试验又称为野外大剪试验，是在工程场地内选择具有代表性的岩体，采取在原地岩体人工开凿或刻取制备满足试验要求的试验样品；5 个点为一组，试验点可在试洞、试坑、探槽中，同一组岩体的岩性或岩性组合要基本相同。采用现场试验的优点是基本上可以有效消除人为扰动，特别是结构复杂的岩体，可以最大限度地代表样品的原状特性，取得符合工程实际环境的设计参数，其在边坡稳定性分析评价中尤为重要。但该试验一般只能在地表进行，不能在预定深度进行试验；试验点的选择受到现场环境条件的影响较大，需要开阔、安全的工作场地；试件开凿也会有一定的成功率，样品的废弃影响经济性和工期。本场地的地基岩体层理特征十分显著，该类岩体的抗剪强度指标易受岩石状态及人为扰动的影响，室内试验岩块加工制备的要求采取的样品往往是相对较完整的岩块，对于层理十分发育或完整性较差的岩体，室内试验效果和代表性相对较差，需要考虑原位试验。本项目分别针对中等风化的砂岩、泥质粉砂岩及泥页岩进行试验，每种岩性 6 个试验点；为反映工程岩体实际受力状态，试验的剪切面为竖直方向，剪切面垂直于岩层面。
在试验点开挖试验坑，将试样布置在侧壁上；试样制备成长宽 50cm ×50cm、高度大于25cm 的长方体，由于岩体完整性较差，试件外套钢模，钢模与试件空隙浇注水泥砂浆。试验是以试件破坏时的最高剪应力作为抗剪断峰值强度，点绘 -σ 关系散点图，并按最小二乘法进行线性回归，按库仑表达式确定岩体抗剪强度参数 φ、c。
3试验结果
分析和参数推荐本工程地层产状总体上相对稳定，局部变化大，岩层倾角总体上以 0 ～20°居多。从中等风化岩的试验结果看出，同种岩性的粘聚力 c 差异最大，三轴试验最高，其次是室内直剪试验结果，现场直剪试验结果最低；内摩擦角 φ 的试验结果差异相对较小，泥质粉砂岩的差异在 10%以内，砂岩的结果稍大；同种试验结果的离散性也反映出这种复杂层状岩的各向异性。依据工程实践，不同试验方式所得到的结果存在差异的原因是多方面的，包括样品的岩性及岩性组合、岩石矿物组成、层理及节理裂隙发育程度、含水量的差异等，而且，尺寸效应的影响也越来越被很多工程实践证实。工程实践及相关研究认为，室内直剪试验是试件在事先预定好的剪切面受轴向应力和法向应力作用下进行的试验，而实际岩体状况十分复杂，岩体是岩石和结构面的综合，也就是说岩体强度是考虑结构面作用的综合强度，现场岩体剪切试验模拟了真实的工程应力状态。由于岩体的复杂性，增加了确定抗剪强度参数的难度，国内外针对抗剪强度参数的估算和确定进行了大量的研究。
本工程除采用室内试验和原位试验外，还考虑岩体结构的复杂性，勘察时还采用了 规 范 法 的 分 析，依 据 《工 程 岩 体 分 级 标准》，将各类岩体的基本质量级别作为依据，插值确定各类岩体抗剪强度。从试验结果可以看出，现场岩体剪切试验的结果与规范的推荐值基本接近。本项目一期工程实践中，由于主厂房地基实际变形监测结果与设计计算的结果存在较大差异，针对变形机理及地基模型开展了大量的分析和研究。根据变形监测数据，采取工程反演的方法来验证设计参数；利用实际工程数据进行工程反演所得到的岩体参数包含了更大尺度的地质信息，可以较好地反映实际应力路径下岩体的力学状态，分析得到的岩体力学参数更加合理可靠。抗剪强度指标采用了莫尔—库仑理想弹塑性模型。
结语
综上所述，客观合理的地基岩土设计参数是客观揭示地基条件、地基安全评价、结构设计计算的重要输入和基本依据，获取复杂层状地基的岩石抗剪强度指标需要考虑岩体结构、尺度效应及各向异性等诸多因素。本文对某核电项目岩石剪切试验结果进行了分析研究，重点讨论了岩石抗剪强度指标的获取方法和思路，岩石抗剪强度是岩块和结构面作用的综合强度，受试验条件、尺度效应、样品的代表性等多方面因素影响，各种方法获得的结果存在一定的差异；工程实践证明，复杂岩体的现场剪切试验数据更符合工程实际，有必要根据需要合理布置现场剪切试验。建议加强各类复杂岩体抗剪强度指标的积累，并密切结合工程实施阶段的各类监测资料，通过工程经验反馈和经验积累，为客观合理分析复杂地基特性奠定基础。
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