中美關于巖基抗剪強度參數試驗與取值的對比研究

王帥星，賴國偉，繆嘉莉

(武漢大學 水資源與水電工程國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

壩工和巖土工程中所遇到的巖體、結構面和混凝土/巖體膠結面等巖基材料的抗剪強度參數是影響建筑物抗滑穩定的一個關鍵因素。由于基巖抗剪強度參數的重要性，幾十年來關于抗剪強度參數的試驗與取值研究層出不窮,國外的研究相對較早，成果豐富。N. Barton 和 V. Choubey[1]研究了節理巖體的剪切強度取值方法及工程應用，并提出了著名的Baton公式。T.W.Zeigler[2]論述了原位直剪試驗原理和方法，而Glenn.Nicholson[3]則論述了工程巖體設計剪切強度的選擇方法。中國自上世紀80年代以后，對抗剪強度參數的研究也逐步發展起來。蔡耀軍、徐福興[10]研究了大壩建基面抗剪強度取值，并結合工程實例，給出了巖體抗剪強度建議值的選取需要根據巖性、巖體結構進行折減的結論。楊超、宋彥輝[11,12]等人利用數理統計理論各自提出了巖體抗剪強度參數的估值模型，分別與Hoek-Brown準則估值比較得出了更接近實際值的結果。曾紀全、雍睿[13,14]等人分別研究了巖體抗剪強度的試驗成果整理及參數選擇方法，并對其適用性進行了研究。武雄[15]等人則提出了工程巖體抗剪強度的綜合確定方法-GMEM方法。

隨著我國水電事業的發展，我國承擔越來越多的國際水電項目，有些項目還需采用美國規范設計施工，因此對比中美規范關于巖基抗剪強度參數試驗與取值的研究是很有必要的。本文正是基于此，立足于中美相關規范和文獻，重點對比研究了中美關于巖基抗剪強度參數的試驗方法與取值、設計抗剪強度選取等內容，以便從事相關設計的人員參考使用。

1 巖基抗剪強度試驗方法中美對比

我國《水電水利工程巖石試驗規程》(DL/T5368-2007)[16,17]規定了兩種巖基抗剪強度參數現場試驗方法，即直剪試驗、三軸試驗。而美國文獻[2]中除了介紹上述兩種試驗方法外，還介紹了另外兩種確定巖基抗剪強度參數現場試驗方法，即扭轉試驗和拉拔試驗，此外還詳細論述了各種試驗方法及其適用性。國際巖石力學學會(ISRM)[22]也建議現場抗剪強度試驗采用直剪試驗和巖芯的扭轉剪切試驗。然而，目前國內外確定巖基抗剪強度參數最常用的試驗方法是直剪試驗。因此本文基于現場直剪試驗展開對比研究。

直剪試驗是將同一類型的試樣，在不同的法向荷載條件下進行剪切，根據庫倫表達式確定抗剪強度參數。直剪試驗可分為抗剪斷試驗、抗剪試驗(摩擦試驗)、抗切試驗。直剪試驗方法又分為平推法、斜推法、楔形體法三種。前兩種方法最為常用，可用于混凝土與巖基膠結面、巖基內軟弱夾層、無填充結構面及巖基本身的抗剪試驗，而楔形體法有時用于巖基弱面的抗剪強度試驗[19]。其中平推和斜推直剪試驗的安裝方法如圖1所示。

1-砂漿；2-墊板；3-傳立柱；4-壓力表；5-混凝土試樣；6-混凝土后座；7-液壓千斤頂；8-傳力塊；9-滾軸排；10-相對垂直位移測表；11-絕對垂直位移測表；12-測量標點；13-相對水平位移測表；14-絕對水平位移測表圖1 混凝土與巖體膠結面直剪試驗[16]Fig.1 The direct shear test for concrete/rock cemented surface

1.1 混凝土與巖體膠結面原位直剪試驗方法對比

混凝土與基巖膠結面原位直剪試驗方法的對比主要包括試樣制備和荷載施加方法的對比。

1.1.1 試樣制備的對比

試樣制備過程中為了減小對試體的干擾，中美兩國文獻均建議采用手工作業、小尺度爆破等減小干擾的制備方法。試樣制備的目的在于制備能代表巖體性質的合理試樣尺寸，中美兩國的文獻對此有不同的規定。我國《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)[18]和《水電水利工程巖石試驗規程》(DL/T5368-2007)[16]規定：試樣的剪切面積不應小于2 500 cm2，最小邊長不應小于50 cm，各試樣的間距不宜小于推力方向的邊長，試樣的高度不宜小于最小邊長的0.5倍。而美國材料試驗學會(ASTM)[4]建議試樣的剪切尺寸為70 cm×70 cm×35 cm，但實際工程也并不局限于此尺寸。然而，隨著試樣尺寸的變化，工程試驗的成本也隨之變化，表1列舉了不同國家建議的試樣尺寸。

1.1.2 荷載施加方法對比

中美相關文獻規定的法向荷載和剪切荷載的安裝系統基本相同，如圖1所示。但法向荷載和剪切荷載的施加方法卻不相同，如圖1所示。我國的規范[16,17]規定：采用多點平推或斜推法進行直剪試驗，在每個試樣上施加不同的法向荷載，可分別為最大法向荷載的等分值，剪切面上的最大法向應力不宜小于預定的法向應力，一般可取為1.2倍的工程設計壓力，還應考慮巖體的強度、應力狀態以及設備的出力及精度。對于含有結構面的巖體而言，試樣上的最大法向應力不應使巖體軟弱結構面上的夾泥擠出。法向荷載采用分級施加的方式，分級可視法向應力的大小和巖性宜分為1～3級。我國規范還建議，法向荷載施加采用時間控制法，加載后立即測讀法向位移，5 min后再測讀一次，即可施加下一級載荷。加至預定載荷后，仍按每5 min測讀一次，當連續兩次法向位移之差不大于0.01 mm時，認為穩定，即可開始施加剪切載荷。而美國文獻[4]多采用單點法進行抗剪試驗，每個試樣可進行5次試驗，條件允許時在同一剪切面可采用多個試樣進行剪切試驗，法向荷載可按最大預估荷載分級施加，可分5級進行加載。美國法向荷載的加載方式采用變形控制法，即用位移變形速率來控制試驗的加載。當10 min內每個法向位移測表記錄的數據變化小于0.005 mm/min時，即認為固結完成，可以施加剪切荷載。在剪切過程中，每一級法向荷載應保持不變，這一點中美規范規定是相同的，即常正應力法。

表1 不同地區直剪試驗的剪切試樣尺寸 cm

剪切荷載的施加方法有平推法和斜推法之分。ASTM[4]和ISRM[22]建議采用α=0°(即平推法)及α=15°(即斜推法)兩種方案。我國對斜推法的傾角范圍更寬松，即推力傾角宜為12°～20°。我國規范[16,17]規定：剪力加載仍采用時間控制法，每5 min加載一級，施加前后對法向和切向位移測表各測讀一次。接近剪斷時，應密切注視和測讀載荷變化情況及相應的位移(載荷與位移應同步觀測)。剪切載荷按預估的最大剪切荷載分8～12級施加，當施加的剪切荷載引起的剪切位移明顯增大時，可適當增加剪切荷載分級。美國采用變形控制法進行剪切荷載加載。ASTM[4]和ISRM[22]建議用分級增量加載法或連續加載法施加剪力，通過這樣的方式控制剪切位移的速率。在達到峰值前必須讀取約10組讀數，這一點與中國水口規范[17]相似。此外，還要求在讀取一組讀數前，剪切位移速率必須在10 min內小于0.1 mm/min。如果可恰當地記錄到峰值強度，在各組讀數之間剪切位移速率可以增加，但是不超過0.5 mm/min。

ASTM[4]和ISRM[22]建議在達到峰值強度后，為了恰當地確定剪力位移曲線，必須在剪切位移自0.5～5 mm的增量處讀取讀值。在讀取一組讀數前10 min內，剪切位移速率為0.02～0.2 mm/min，在讀數之間可增加到不高于1 mm/min。當試樣在恒定的法向應力下進行剪切時，很容易確定殘余強度值，即通過至少連續4個讀數，當剪切位移變化不小于1 cm，剪切應力的變化不大于5%時，可確定殘余強度。確定一個殘余強度后，即可增加或減小法向應力來得到另外的殘余強度。因為我國規范采用的是時間控制方法，并不討論剪切速率，因此不存在這樣的約束，但是我國規范注明了在試塊剪斷后，可以繼續進行摩擦試驗，這與美國確定殘余強度的試驗類似。

盡管中美文獻對荷載施加的方式不同，但是其目的都是相同的，即精確測量試體的抗剪強度。而兩種荷載施加方式也各有優缺點。時間控制法方便操作，易于讀數，但不易精確測讀抗剪強度特征點，變形控制法則不存在這個問題，但是變形控制法不易操作，難于控制，因此具體選用何種方法，需要根據相關技術人員的側重點而定。

1.2 巖體結構面直剪試驗方法對比

巖體結構面試樣的制備與混凝土/巖體膠結面試樣的制備相似，但是巖體結構面上試樣制備還需進行封裝保護，我國規范常對完整性較差的巖體澆筑鋼筋混凝土作封裝保護，而美國文獻表明其常用鋼板夾砂漿或混凝土作封裝保護。

巖體結構面試樣的荷載施加方法對比與混凝土/巖體膠結面類似，在此僅對其中有差別的地方做出說明。美國陸軍工程師團報告[2]指出，對于剪切荷載采用分級增量加載時，如果水平變形很慢，慢到剪切位移速率達到0.001 in/min(約為0.002 54 cm/min)或0.001 in/3 min(約0.00254 cm/3 min)時，可以適當增加剪切荷載的分級增量。而國內規范的荷載施加采用的是時間控制法，因此不存在這樣的問題。

美國陸軍工程師團文獻[2]認為在巖體結構面直剪試驗中，比荷載施加方法更重要的就是固結，尤其對填充結構面更重要。試驗的固結是為了在剪切前，施加上全部法向荷載后，將巖體尤其是巖體填充結構面上的孔隙水壓力全部消散。這時，試樣的剪切速率應該有所限制。對于“排水”試驗[4]，尤其是在填充黏土的結構面上進行試驗時，達到峰值的全部時間應超過固結曲線所測定t100的6倍，固結曲線如圖2所示，t100是在固結曲線上做出兩條切線得到的主固結時間。如需要，必須降低剪切速率，或者減緩后階段剪力增量的施加，以滿足要求。固結完成的標志是當10 min內每個法向位移測表記錄的數據變化小于0.005 mm/min時，即認為固結完成。而我國規范是以另一種方式來說明固結的，如前文1.2.2所述，我國規范[16]規定，法向位移的穩定標準可視充填物的厚度和性質而定，按每10 min或15 min測讀一次，連續兩次讀數之差不超過0.05 mm，可視為穩定，即可施加剪切荷載。這里提到的“穩定”就代表固結的完成。

圖2 直剪試驗固結曲線的三個階段，估計t100值的圖表[20]Fig.2 Consolidation curves for a three-stage direct shear test, showing the construction used to estimate t100

1.3 完整巖體直剪試驗方法對比

完整巖體的直剪試驗方法與巖體結構面直剪試驗方法相同。試樣的制備同樣也包括試樣的制作，試樣尺寸描述、試樣封裝等內容，荷載施加方法也同樣分為法向荷載施加和剪切荷載施加，詳細的內容可參閱前文。

綜合上文可知，中美關于巖基抗剪強度的試驗方法基本相同，主要有直剪試驗和三軸試驗，而目前國內外最常用的是直剪試驗，但在試樣的制備和試驗過程存在若干差異，主要表現在試樣尺度和荷載的施加控制方式上。盡管如此，但是其目的是相同的，都是為了更精確地確定試體的抗剪強度參數，以便為工程巖體的合理設計提供可靠參數。

2 設計抗剪強度參數取值方法對比

巖基抗剪強度參數試驗成果的整理是針對剪切變形曲線上某一強度特征點而進行的。針對采用不同的強度特征點，所得的抗剪強度參數也不同。ASTM[4]和ISRM[22]認為，抗剪強度試驗的目的在于測量峰值和殘余抗剪強度，而我國規范規定除此之外，還建議測量比例極限點和屈服強度點。幾種強度特征點如圖3典型剪切變形曲線所示。

圖3 巖體典型剪應力與變形關系曲線Fig.3 The typical relationship curve between shear stress and deformation

基于上述ASTM建議的抗剪強度特征點，美國不同文獻對巖基設計抗剪強度參數選取有不盡相同的規定。美國陸軍工程師團按照估值置信度水平(或可靠程度)的不同，將巖基設計抗剪強度的選擇方法分為低、高、很高三種，具體選擇方法如表2所示，詳情可參閱文獻[3]。《重力壩設計》[5]中指出，巖基抗剪強度的選取是基于實驗室和現場試驗綜合確定。在一般情況下，壩基設計抗剪強度一般是根據實驗室直剪試驗結果通過摩爾-庫倫準則確定，對于重大的工程還必須參考現場試驗的結果。文獻[5]還指出，對于工程初步設計階段，抗剪強度的設計值可以參考美國墾務局文獻[8]中所統計的各類巖體相關的力學參數。文獻[6]認為，巖體設計抗剪強度(c、φ)取值方法

是按τ-σ散點圖的下界限確定，如果考慮尺寸效應的影響，在缺乏試驗資料的情況下，巖體的內摩擦角取為τ～σ散點圖的下界限傾角，并且對黏聚力進行折減，保守估計一般取黏聚力為下界限強度的50%。無填充結構面的抗剪強度取值方法是假定黏聚力c=0，而內摩擦角由基礎摩擦角 和起伏角i兩部分組成，但是不能超過天然無填充結構面上剪切試驗τ～σ散點圖上界限傾角值，詳情可參閱文獻[6]。而對于填充結構面，美國陸軍工程師團認為填充結構面的抗剪強度與填充材料的性質(位移歷史和應力歷史，填充材料厚度等)、結構面的風化程度等因素有關，但是抗剪強度最終都是根據τ～σ最佳擬合直線確定。

美國墾務局專著《混凝土拱壩和重力壩設計準則》[9]指出，破壞面上的設計抗剪強度取值必須考慮破壞面上允許的最大位移，并且不會造成不允許的應力集中。美國墾務局還認為較完整巖石與混凝土之間的抗剪強度一般不是控制面，可以采用混凝土之間的指標f′=1.0，c′值為0.1倍混凝土抗壓強度。國際大壩委員會歐洲俱樂部文獻[7]也指出，混凝土/巖體膠結面不是主要的破壞面，一般情況下膠結強度是有效的，而通常的破壞面是沿著軟弱基巖內的天然結構面而不是壩基面。

綜合上述不同文獻對美國關于巖基抗剪強度參數的規定可以確定，美國對巖基設計抗剪強度參數的取值是基于試驗散點圖的下界限強度確定。

我國規范關于抗剪強度的規定種類較多，選取方法多因抗剪強度特征點的不同而有所差異，詳見表4所列。盡管各規范選用設計抗剪強度不盡相同，但總體來看，巖基設計抗剪強度都是以材料試驗的峰值強度的小值平均值為基礎的。此外《混凝土重力壩設計規范》(NB/T35026-2014)[27]除表3所列外，還對抗剪斷強度參數作了一些補充規定，即對于大型工程可行性研究以前各設計階段及中型工程的所有設計階段可按類似條件工程的試驗成果或是表3、表5和表6所列抗剪斷參數，結合地質條件進行折減，選用抗剪強度標準值。這與美國規范規定的初步設計階段的抗剪強度參數相同。

表2 不同評價標準設計抗剪強度參數選擇方法表Tab.2 The selections methods of design shear strength parameters in different assessed confidence

表3 混凝土/巖體膠結面和巖體抗剪斷參數表Tab.3 Determination of shear strength for concrete/rock cemented surface and rock mass

表4 我國不同規范對抗剪(斷)強度的規定Tab.4The rules on shear strength in our different standards

表5 結構面抗剪(斷)強度參數經驗取值表Tab.5 Empirical determination of shear strength for discontinuities

3 中美設計抗剪強度參數的安全水平對比分析

在有足夠多試驗的情況下(通常9個或更多試樣)，結合前文2中的分析可知，美國對巖基設計抗剪強度參數取值是由試驗散點圖的下界限確定；我國規范規定的巖基設計抗剪強度都是以材料試驗的峰值強度的小值平均值為基礎確定的。據此可以近似對比中美兩國抗剪強度參數取值的安全水平高低。

表6 壩基深層結構面抗剪強度參數表Tab.6 The parameters of shear strength for thediscontinuities in deep rock mass

τ=c+fσ+ε

(2)

從圖4可以發現，按美國確定的抗剪強度下界限(粗略看，該抗剪強度下界限是扣掉其下10%的試塊試驗結果后確定的，相應于該下界限的抗剪強度大致有80%～90%的保證率)位于小值平均值線t78.7%的下方，因此可以說明，美國對巖基設計抗剪強度參數的取值安全水平略高于中國通常按小值平均取定的抗剪強度參數所具有的安全水平。

τ1-抗剪強度下界線；τm-抗剪強度平均線；τv-抗剪強度上界線；τ78.7%-抗剪強度小值平均值線；σn-正應力圖4 中美直剪試驗數據散點圖與取值對比[3]Fig.4 Comparative study on the direct shear experimental results of scatter plots and the selections of shear strength parameters between China and America

4 結 論

(1)中美關于巖基抗剪強度的試驗方法基本相同，主要有直剪試驗和三軸試驗，而目前國內外最常用的是直剪試驗，但在試樣的制備和試驗過程存在若干差異，主要表現在試樣尺度和荷載的施加控制方式上。盡管如此，但是其目的是相同的，都是為了更精確地確定試體的抗剪強度參數，以便為工程的合理設計提供可靠參數。

(2)在試驗資料不足或可行性研究階段和初步設計階段，中美兩國關于設計抗剪強度參數的選取方法相同，即主要參考同類型工程的經驗數據確定。

(3)在試驗資料充足時，我國規范種類繁雜，對不同類型建筑物的巖基設計抗剪強度參數取值方法的規定不盡相同，但大多以現場試驗的小值平均值為基礎加以確定的。美國認為，巖基設計抗剪強度的選取是基于實驗室和現場試驗綜合確定，可由試驗散點圖的下界限強度確定，相應于該下界限的抗剪強度約有80%～90%的保證率，略高于中國通常按小值平均(78.7%)取定的抗剪強度參數所具有的安全水平。

□

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