小学品德与社会教案-全国985大学排名

北京晓幼营板理化岩体结构面强度的原位测试
李元霞
1
，孙进忠1
*，杜明性
1
，田爱苹
2
，郑卫锋
3

1 中国地质大学（北京），北京 100083
2 天津大学，天津 300072
3 国家电力科学研究院岩土工程研究所，北京 102400

摘要：岩体强度很 大程度上取决于结构面的强度，板理化岩体尤其如此。通过原位测试直接获得岩体结构
面的强度参数对于 岩体稳定性分析和工程设计都具有重要意义。为了解板理化岩体板理结构面的强度性质，
选择北京房山区 晓幼营白云质板理化岩体进行了结构面强度的原位测试研究。鉴于传统岩体原位直剪试验
成本高和操作难 的情况，我们在试验中考虑岩体中板理结构面的产状，通过开挖不同方向、不同解离状态
的试体调整试验 荷载的作用方向，在掌握北京地区构造应力资料的基础上，利用区域构造应力场提供法向
压力，免除了笨 重的反力装置，取得了一定的实验效果，确定了被测岩体结构面的强度参数：粘聚力c和
摩擦角

，对原位岩体结构面强度测试方法进行了一次有益的尝试。
关键词：板理化岩体，结构面强度，原位测试，正应力，剪应力，构造应力

Test in situ for the strength of structure plane in platy rock
mass at Xiaoyouying, Beijing

LI Yuanxia
1
, SUN Jinzhong
1
*, DU Mingxing
1
, TIAN Aiping
2
, ZHENG Weifeng
3

1 China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2 Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 China Electric Power Research Institute, Beijing 102400, China

Abstract:
Strength of rock mass is largely determined by the strength of structure planes in
the rock mass, and this is especially true to platy rock mass. It is significant to get the strength
parameters of structure planes in the rock mass directly by test in situ both for the stability
analysis of rock mass and for engineering design. In order to understand the strength property
of platy rock mass, test in situ for the strength of the structure plane in dolomite platy rock
mass at Xiaoyouying in Fangshan District of Beijing is carried out. Traditional test in situ will
result in a high cost, and bring more difficulties for the shear strength of rock mass. To get rid
of the heavy reaction frame, relative to the attitude of plates in the rock mass, local tectonic
stress is utilized to offer the normal pressure on the
preconcerted
shear plane of the test rock
block. The value of the normal pressure applied on the shear plane and the direction of the test
load acted on the test block can be adjusted by open orientation and disconnection state of the
test block. By means of the test method explained above, and based on the data of the local
tectonic stress in Beijing territory, a pretty good result has resulted from the test in situ for the
strength of platy planes in the dolomite platy rock mass at Xiaoyouying in Fangshan District
of Beijing.

Keywords: platy rock mass, strength of structure plane, test in situ, normal stress, shear
stress, tectonic stress
* 通讯作者：孙进忠
单位（Organization）：中国地质大学（北京）工程技术学院 电话（Telephone number）：86-，
通讯地址（Mail address）：北京市海淀区学院路29号，北京 100083，中国
电子信箱（Email address）：sunjinzhong@

1 引 言
岩体结构面是岩体的重要组成单元之一。在很大程度上，岩体强度取决于结构面的强度，
板 理化岩体尤其如此
[1~3]
。许多工程项目的失事大多是由软弱夹层或软弱结构面的破坏所致 。
因此，岩体结构面的强度研究具有重要的理论意义和工程价值。室内试验一般不能很好的反
映 岩体原位应力状态，而原位测试则能最大限度地反映现场岩体受力情况，所以通过原位测
试直接获得岩体 结构面的强度参数对于岩体稳定性分析和工程设计都具有重要意义
[4, 5]
。
传 统的岩体原位直剪试验要在原位岩体中开挖出若干组试体，在不同级别的法向压力作
用下，对预定的剪切 面分级施加剪力
[6~8]
。施加和控制法向压力需要笨重的反力装置，一来
试验成本 较大，二来试验实施困难，山地试验尤其如此。有人曾注意过地应力对岩体原位剪
切试验的影响
[9, 10]
，但是几乎没有人从试验方法角度提出利用地应力的问题。
为了解板理化岩体 板理结构面的强度性质，为超高压输电线网地基设计提供参考，选择
北京房山区晓幼营白云质板理化岩体 进行了结构面强度的原位测试研究。在掌握区域构造应
力场情况的基础上，试验中考虑岩体中板理结构面 的产状，通过开挖不同方向、不同解离状
态的试体调整试验荷载的作用方向，利用区域构造应力场提供法 向压力，免除了笨重的反力
装置，取得了一定的实验效果，在原位岩体结构面强度测试方法方面是一次有 益的尝试。
图1 试验场地附近地区地应力场主应力迹线
[13]

Fig. 1 Main stress traces of the geo-stress field near test site
1、虚线为最大主压应力迹线，房山岩体中的锁线为最大 主压应力迹线；2、实测最大主压应力
方向；3、岩组分析的最大主压应力方向；4、房山侵入岩体；5 、岩体面状构造产状；6、断层。

2 试验场地条件
试验场区位于北京市 房山区青龙湖晓幼营附近一个山谷中，场地地坪是山腰采石开挖形
成的平整空地，面积约为1000m< br>2
，坐北向南、三面环山。
从地质构造上看，试验场地位于八宝山断裂晓幼营段的北西 侧，EW走向的谷积山背斜
东端南翼。场地岩层为寒武系中统的白云岩和泥岩互层。山体开挖面揭露的情 况表明，场地
岩层的岩性主要为灰质板岩，板理发育，板理面间距1~5cm，局部夹有灰岩透镜体，岩 体板
理与岩层总体产状一致。场地发育有一条走向NE40，产状为31078的高角度逆断层 ，
断距约为15m，说明场地岩体受到了八宝山断裂转折处煤岭弧形断裂近南北向构造应力的挤
压作用。测试点布置在逆断层的下盘岩体中，岩层倾向SSE，产状约为16351，与谷积
山背 斜东部近转折端的南翼的构造部位相符合
[11, 12]
（图1）。
图1反映了 1974~1980年在试验场地所在地区的地应力测量结果。表1所示为1980年
在试验场地西南方 向的北车营测点的地应力测量资料，可以为确定试验场地岩体中的地应力
提供依据
[13]。
[13]
表1北车营测点1980年地应力测量结果（地应力单位：MPa）

Table 1 Geo-stress value at Beicheying measured in 1980 (the unit of geo-stress: MPa)
岩 性
厚层灰岩
测点距地表
深度（
m
）
5~7
最大主应力
σ
1

应力值
5.8
应力方向
341
最小主应力
σ
3

应力值
2.4
应力方向
71
剪应力


1.7

3 试验方案
根据现场勘查和钻孔取芯的情况，试验场的岩体完整性较差，越靠 近山坡坡面，岩体完
整性越差。岩体不受扰动时，板理紧闭，岩体整体较密实，但是一经开挖扰动，岩体 即沿着
板理松动开裂，岩体变得异常松散。故不易在坡体或坡脚处开挖试坑。
如图2所示，根 据现场地质条件和施工的实际情况设计1#、2#和3#三个试体，目的是
充分利用原位地应力作用F
叠加试验荷载作用
P
，形成结构面法向应力变化的不同工况，
以便求解 结构面的抗剪强度参数（
c
、

）。各试体的尺寸、试体与原岩的解离情况如 表2所
示。所有试体中板理面的产状均为
16351
。
表2 试体尺度及解离状态一览表
试体编号
1#
2#
3#
水平长度
a mm
700
700
700
水平宽度
b mm
920
850
880
铅垂高度
h mm
603.8
417
400
侧向解离状态
长度方向
两端未解离
两端未解离
一端未解离
宽度方向
解离
解离
解离
未解离
铅垂向解离状态
底部 顶部
自由
地表
试体两个平行的铅垂向自由面与原岩之间形成两个 具有一定尺度的试坑，其中一个试坑
作为预留的试体变形空间；另一个试坑按照一定的尺度要求开挖，可 以作为试验加载的反力
框架，置入千斤顶和钢垫板，试验中利用液压千斤顶通过钢垫板对试体铅垂向自由 面施加垂
直于自由面的水平向作用荷载。按预估的破坏荷载，将试验荷载分成若干等级，按一定的级差分级加荷，每级荷载维持10min，直至试体发生破坏。在试坑周边安装上位移计，加荷过
程中 测读试体受力面在荷载
P
作用方向的位移
S
P
和试体水平自由表面的 铅垂向位移
S
V
，以
便分析岩体的变形和强度特性。

F
a
b
试验荷载作用方向
地应力
作用方向
a = 700mm
b = 920mm
h = 603.8mm


试体高度
h

千斤顶
地应力
作用方向
岩层走向

= 55
P
16351


1#试体
F
试验荷载作用方向


a = 700mm
b = 850mm
h = 417mm
a
试体高度
h

地应力
作用方向
2#试体
F
地应力
作用方向

= 90
b
岩层走向


P
千斤顶
16351
F
试验荷载作用方向


a
a = 700mm
b = 880mm
h = 400mm
b
试体高度
h

3#试体
岩层走向
16351

= 90
P
千斤顶
图2 岩体结构面原位剪切试验试坑布置平面示意图
Fig. 2 Layout of test blocks for the shear test in situ of platy planes in rock mass

4 试体受力分析
4.1 地应力与试验荷载作用方式
如图2所示，试验荷载和地应力作用均在水平面内。在1#试体中，试验荷 载作用方向
与岩层走向夹角

= 55；在2#试体和3#试体中，试验荷载均与岩层走向垂直。
地应力作用方向为最大主应力和最小 主应力的合成方向，与岩层走向存在固定的关系。
一般，地应力（构造应力）最大主应力方向垂直于岩层 走向，而最小主应力方向平行于岩层
走向。按表1所列出的地应力测量资料给出的最大、最小主应力的量 值计算，地应力作用方
向与岩层走向之间的夹角

= 67.52。
在 1#、2#试体中，地应力与通过试体与场地岩体的连接部分作用在试体上，但两者的
情况略有不同。1 #试体与岩层走向斜交，所以地应力在垂直于岩层走向和平行于岩层走向上
均有分力作用，地应力的作用 面就是试体与原位岩体的连接部分的横截面。2#试体与岩层平
行，试体与场地岩体连接部位的横截面在 岩层倾向方向上投影面积为零，所以地应力在岩层
倾向方向不会产生作用力，从而地应力在岩层法线方向 上也不会产生作用力。在3#试体中，
由于试体在水平面内的三个方向上与场地岩体的连接均被割开，所 以地应力对试体的作用已
经被完全解除。
根据地应力作用特点和试验荷载的作用特点，可以进 一步将地应力作用F和试验荷载P
分解到结构面的法向和切向。
4.2 1#试体受力分析
1#试体破坏时的受力情况如图3所示。由于试体与岩层走向斜交，所以地应力作用
F
对剪切面（板理面）法向力和切向力均有贡献。试坑开挖，应力调整，试坑周边地应力对岩
层的切向作用 达到平衡，宏观上岩层没有发生位移和破坏，地应力对试体作用的综合效果是
使岩体层理受压紧闭。所以 ，在1#试体中可以把地应力的贡献考虑为在岩层法向上增加了
额外的法向力
F
。
F

的大小可以参考地应力测量结果进行适当折算。
设


为试验荷载与试体中板理面走向之间的夹角，则1#试体试验荷载
P在岩层走向
上的分力
P
∥
以及在岩层倾向上的分力
P
⊥
为：
P
∥

= Pcos

，
P
⊥

= P

sin


（1）
P
⊥
可以进一步分解为板理面法向力和切向力：
P

= P
⊥
sin

，
P

= P
⊥

cos


（2）
式中


为试体板理面倾角。层面上作用的总切向力T为：
T = (P
∥
2
+ P

2
)
1 2
（3）
板理面上作用的总法向力Q为：
Q = F

+ P


（4）
设岩层板理面剪切破坏的面积为
A
，则破坏面上的正应力

为：


= Q

A
（5）
剪应力为：


= T

A
（6）
4.3 2#、3# 试体受力分析
2#试体在垂直于岩层走向的地应力（
1
）已经被解除，而平行于岩层走向上的地应力
（

3
）在剪切 面（板理面）法向上没有作用，在剪切面走向上自然平衡。因此，考虑2#试
坑岩体沿板理面的剪切破坏 时也不必考虑地应力的作用，只需考虑试验荷载
P
的作用即可。

3# 试体各方向上的地应力均已解除，所以不必考虑地应力的作用，只需考虑试验荷载
P
的作用即可 。
2#、3#试体试验荷载
P
的作用方向在水平面内与岩层的倾向一致，相当于图3 b中所示
的力
P
⊥
。因此，在试验荷载作用下，岩层板理面法向受力
P

和切向受力
P

与试验荷载
P
存在以下关系：
P

= Psin

，
P

= P

cos

（7）
式中

为岩层面倾角。
设岩层剪切破坏的面积为
A
，则破坏面上的正应力

和剪应力

为：

= P

A
，

= P

A
（8）
实际岩层剪切破坏的面积
A
根据现场试验岩体的破坏情况测量获得。
a
b


破坏楔体


h
水平面
试验荷载P


岩层走向
岩层面

岩层倾向
地应力作用F
a) 原位岩
岩层走向∥
体试体的受
岩层面
P
∥

P
F
∥

F
⊥

P
⊥

水平面
b) 层面受力
F
岩层倾向⊥

向岩层走向和
岩层倾斜线

倾向的分解
岩层法线方向

岩层面
P


岩层走向∥

F


c) 走向和倾向力
P
⊥

向岩层法线方向

F


⊥

水平面
和倾斜线方向的



F


P


进一步分解
岩层倾向⊥

岩层倾斜线方向

图3 1#试体板理面抗剪试验预定剪切面受力分析示意图
Fig. 3 Force analysis of the platy plane of 1# test block
5 试验测试和数据分析
5.1 试验测试和试体加载位移数据

对1#、2#、3# 试体施加水平试验荷载
P
，在逐级加荷的过程中 观察记录了在各级荷载
作用下岩体加荷面在加荷方向的变形
S
P
和岩体自由表 面在垂直于加荷方向的变形
S
V
。根据
试验观测结果，计算并绘出各个试坑的 岩体原位剪切试验荷载—位移曲线，如图4所示。
5.2 板理面强度分析
1#试体破坏时剪切面上的正应力

和剪应力

取值与地应 力的大小有关。参考表1
所示地应力测量值
[13]
，考虑地应力测量的深度（5m ~7m）与本次试验试坑深度（地表附近）
的差别，最大主应力值做适当折减，作为计算地应力对岩层面 法向力的作用
F

的依据。按
照式（1）~式（8）试算，并参考国内外 以往测试得到的类似岩体的结构面（弱面）强度的
量值
[14]
，本场地与倾斜岩层层 理走向正交的最大主应力（

1
）取值4.59MPa。则1#、2#、
3# 试体破坏时，剪切面上的正应力

和剪应力


取值见表3。

P kN
500
400
300
200
100
0
P kN
500
400
a. 1#试坑试
验荷载—水
平位移曲线
300
200
100
0
b. 1#试坑试
验荷载—铅
垂位移曲线


S
P
mm
P kN
200
160
120
80
40
0S
V
mm
P kN
200
160
a. 1# 试坑岩体结构面原位剪切试验荷载—位移曲线
a. 2#试坑试
验荷载—水
平位移曲线
120
80
40
0
b. 2#试坑试
验荷载—铅
垂位移曲线

24
S
P
mm
P kN
120
S
V
mm
P kN
120
b. 2# 试坑岩体结构面原位剪切试验荷载—位移曲线
90
90
60
a. 3#试坑试
验荷载—水
平位移曲线
60
b. 3#试坑试
验荷载—铅
垂位移曲线
30
30
0

0

S
P
mm S
V
mm
c. 3# 试体结构面原位剪切试验荷载—位移曲线
图4 各试体结构面原位剪切试验荷载—位移曲线
Fig. 4 Load-displacement curves of test rock blocks

表3 各试体岩体破坏荷载及剪切面应力
Table 3 Damage loads and stresses on the shear planes of rock masses in test blocks
试 坑 破坏荷载 P (kN) 剪切面法向应力


（kPa)剪切面切向应力

（kPa）

1# 450 554.04 235.09
2# 200 170.39 137.98
3# 80.17 151.31 122.53

将以1#、2#、3#号试体破坏面上的正应力与剪应力代入莫尔强度表达式（9）：

= c +

tan


（9）

应用最小二乘法，求出岩体板理面的抗剪强度参数如下：
c
= 87.09 kPa，


= 14.98，
f
=
tan


= 0.267581
6 结 论
本文根据高压输 电线路地基项目的要求开展板理化岩体强度原位测试，尝试了利用构造
应力进行岩体原位力学试验的新方 法，取得了以下成果：
1）提出了一套利用地应力提供原位试体剪切面法向力的测试分析方法，免除了 笨重的
反力装置，克服了传统原位剪切试验的成本高、周期长和操作难的问题。为岩体原
位强度 试验提供了一套新的方法。
2）试验测试得到了晓幼营板理化岩体办理结构面的抗剪强度参数，岩体板 理面抗剪强
度为：
c
=87.09kPa，


= 14.98。可为类似板岩地区大型输电线路塔杆地基设计及岩
体稳定性分析提供参考。
试验中还有一些值得进一步尝试之处：
1）在现场条件允许的情况下，试坑可以开挖到坡上， 利用山体的自重压力给试体提供
竖向约束。试坑在竖向约束下，岩体试验数据处理可以更简化，但对试坑 的开挖施
工有较高要求。
2）现场板理化岩体受扰动易沿板理开裂松动，在没有法向约束时， 岩体结构面抗剪强
度较小，所以在分步加压过程中适当减小试验荷载增量，试验效果可能更好。

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