1.剪应力-位移关系曲线
以剪应力为纵坐标,剪切位移为横坐标,系统地绘制出τ-u关系曲线,分为沿原状样第一次剪切和沿破坏面第二次剪切两组曲线。具体关系曲线如图6-12所示。沿原状样第一次剪切,所获得的抗剪强度为初次剪切强度。而沿破坏面所进行的第二次剪切,同样可获得抗剪强度,与初次剪切强度有所不同,称为残余抗剪强度。便于对比,两组关系曲线一起给出。显然,残余抗剪强度明显低于初次剪切强度。
2.抗剪强度参数取值方法
(1)取值依据与原则
本次携剪试验的屈服值是指曲线上曲率变化最大的点(简称曲率点,下同)。由图6-12中所绘制的曲线,即可初步得出峰值抗剪强度、屈服抗剪强度和残余抗剪强度。其取值方法如下:
1)选取初次剪应力-位移关系曲线上的峰值τmax,得到峰值抗剪强度。
2)一般在稳定性分析评价时,用比例极限值偏于安全保守,峰值抗剪强度则具有较大的风险性,残余值一般已完全破坏,大都也只用在滑坡稳定性评价之中。因此,对这类结构面的参数取值,工程中多采用折衷的方法,即取屈服值。
屈服抗剪强度的选取:若在其沿原状样第一次剪切τ-u关系曲线(图6-13)上,于峰值抗剪强度点之前,有明显的屈服点,则可直接选取此点作为屈服抗剪强度。同时,这种曲线也类似于岩石应力-应变弹塑性(下凹型)曲线,这里称为Ⅰ类屈服曲线。此点特征明显:在剪应力-位移关系曲线达到曲率点之前,剪应力(τ)增幅大于位移(u)增幅;该点之后,位移(u)增幅则大于应力增幅(τ)。若在峰值抗剪强度点之前,无明显的屈服点,相似于岩石应力-应变塑弹性(上凹型)曲线,这里称之为Ⅱ类屈服曲线。此时,可选峰值抗剪强度折减。工程试验实践,其折减系数一般取0.85左右,即峰值×0.85=屈服值(聂德新等,1999)。这两种屈服点的取值方法不一样。但经验证,在Ⅰ类屈服曲线上取屈服实点所得的屈服抗剪强度和采用峰值抗剪强度折减所获得的屈服抗剪强度近似,从表6-5可知,屈服实点值与峰值的比值均也在0.85左右。
表6-5 屈服实点值与峰值比值统计表
复杂软岩特性及其高边坡稳定性研究:以四川岷江紫坪铺水电站为例
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图6-12 不规则样抗剪试验破坏时剪应力(τ)-水平位移(u)曲线
图6-13 屈服值点选取示意图
(2)确定抗剪强度指标
依据上述取值方法获得各组剪样抗剪强度值,绘制出正应力(σ)-剪应力(τ)关系曲线(图6-14)。利用这些关系曲线,采用最小二乘法原理,对所选取的抗剪强度值进行线性拟合,可初步计算出每组剪样的内摩擦角φ和内聚力C。
复杂软岩特性及其高边坡稳定性研究:以四川岷江紫坪铺水电站为例
图6-14 不规则样抗剪试验正应力(σ)-剪应力(τ)关系曲线
3.剪切带含水率与屈服抗剪强度相关性分析
软弱结构面与软岩携剪试验后的剪切层含水率同屈服抗剪强度参数C、φ值存在着一定的对应关系(图6-15,图6-16)。从关系曲线图中可以看出,屈服抗剪强度参数C、φ随含水率的增加有降低的趋势。
图6-15 含水率同内聚力C值关系图
图6-16 含水率同内摩擦角φ值关系图
4.结构面屈服强度特征
根据野外层间错动带所进行的岩矿鉴定结果,和室内剪切层的详细描述,携剪试验的剪切面(带)有四种类型:泥化夹层、炭质页岩、软岩夹煤线、含炭屑砂岩或砂岩夹断续煤线。其中前三类可归为不同的软弱结构面。由于工程中一般采用屈服值,所以这里只就屈服值的变化规律进行简单的分析,且剪切强度特性与剪切方向有关。
(1)泥化夹层型结构面强度
在溢洪道下段内侧边坡1#排水洞2#采样点所采集的泥化夹层结构面比较典型。原始的层状岩层形成后,在后期多次强烈的构造作用下,将炭质页岩、泥质粉砂岩、煤等软质岩挤压与研磨,形成未胶结的岩石碎屑粉末夹层。含泥质、贯通性是该类软弱面的主要特征。2#RXN、4#RXN两组试样其抗剪强度参数是:内聚力C一般在0.09～0.16MPa之间,平均为0.12MPa,内摩擦角φ变化在10.9°～33.9°之间,平均为22.7°。当泥化夹层中黏粒含量愈高、滑腻性矿物含量愈多或饱水时,其强度愈接近下限值,其黏聚强度可能降低到0.02MPa以下,反之则接近上限值。
(2)炭质页岩型结构面强度
含炭质泥岩或泥页岩结构面强度的综合,受构造变形的影响较大。边坡软弱带中所发育的炭质页岩为层间剪切破碎带的主体,其岩性软弱,呈散体结构,压缩变形量大,强度很低,岩体质量极差。1#LXT、2#RXT、5#RXT三组试样其抗剪强度的参数是:内聚力C一般在0.06～0.22MPa之间,平均为0.13MPa,内摩擦角φ变化在18.5°～26.5°之间,平均为23.03°。若含泥较重,页理镜面较发育或饱水时,剪切强度两参数可取下限值;若砂页岩互层,构成了软硬相间的岩性组合,在剪切过程中,其中细软物质可以被挤紧,硬质砂性物则产生很大的摩阻力,因而剪切强度的两参数可取靠近上限值。
(3)软岩夹煤线型结构面强度
以确定含煤或夹煤线的结构面强度为主,大都呈碎裂状,其煤层厚度不大且不稳定。软岩夹煤线型结构面各单体边坡发育不均一,受构造变形的影响较大。
1#LX、5#RXM、6#RL三组试样其抗剪强度的参数是:内聚力C一般在0.05～0.18MPa之间,平均为0.09MPa,内摩擦角φ变化在11.9°～40.0°之间,平均为21.4°。剪切强度由其中软弱部分所控制,一般不含或很少有充填物,未受胶结。当光滑破裂面愈平直、擦痕愈微细、微粗糙度愈小或饱水时,其抗剪强度愈接近下限值。反之,抗剪强度就愈接近上限值。
(4)含炭屑砂岩型结构面强度
涵盖了泥质粉砂岩型和粉砂质泥岩型结构面强度,具条带状的泥质粉砂结构,定向构造。泥质粉砂岩岩性软弱,遇水较迅速崩解。岩体结构属镶嵌碎裂结构,其质量较差,并具有较大的压缩变形。3#LX抗剪强度的参数是:内聚力C为0.28MPa,内摩擦角φ为34.1°。在边坡软岩中,其结构面强度相对较大。