李 伟 关学伟 戴培志

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概述

水电水利工程建设中的枢纽建筑物是主体工程，其中大坝是关键的水工建筑物，坝址区及高陡边坡的岩体力学特性势必会对工程评价及建设起重要作用，通过查阅岩体力学、变形性能的研究及坝址区相关流变、蠕变等文献[1][2]成果可知，结构面及断层等是影响建设大坝的主要因素。

岩体力学参数的测定，通常是靠借助于各种试验，但岩体是非均质的，其变形和破坏规律极其复杂，一般室内试验不能代表岩体的力学性质，而在现场进行大体积岩体试验代价又昂贵；加之现场试验的数量和范围有限且随机性较大，岩体的非均质性、各向异性易造成试验成果的分散。如何从这些分散的试验成果中找出具有代表岩体的力学参数，以及如何客观的评价试验获得的岩体力学参数的代表性，是较为困难的，国内相关文献均在这方面做了大量的论述[1-6]。因此，研究岩体力学参数的预测，对水利水电工程的设计、施工具有重要的现实意义。

2 岩体结构面现场特征及破坏形态

结构面是指岩体内的不连续面，如岩体中的层面、软弱夹层、节理、裂隙、片理、断层等。按结构面胶结(或充填)物质的性质，通常又分为硬性结构面和软弱结构面，结构面性质的不同，其破坏机理是不同的。结构面的抗剪强度与结构面的性质、分布、组合及是否夹有充填物有密切关系。

硬性结构面为闭合节理，岩浆、岩脉充填的焊接状节理，试件在破坏时均有一个逐渐发展的破坏过程。

2组岩体硬性结构面(τj2-1,τj4-1)，微风化，结构面产状分别为EW，N∠30°～35°和N15°E，NW∠30°。剪断面起伏、粗糙，起伏差在0.5 cm～2 cm，面上见有长英脉、石英脉等，局部有钙膜，胶结紧密，无泥质和其他软弱成分充填，剪断面平整，一般呈波纹状—小的锯齿状。

2组岩体软弱结构面(τj213-1,τj213-2)其产状、特性、填充物基本一致，且面平直、粗糙，由压碎岩、糜棱岩及黄褐色泥等组成，起伏差稍大，在1.0 cm～3.0 cm，剪断面较平整，呈波纹状。

2组岩体硬性结构面(τj2-1,τj4-1)抗剪试验，试件在剪切破坏后，应力下降的幅度较小，并快速趋于残余稳定值，试件均沿结构面剪出。τj2-1剪断时的剪切位移在2.970 mm～8.128 mm，平均剪切位移为5.037 mm，τj4-1剪断时的剪切位移在3.618 mm～13.073 mm，平均剪切位移为6.950 mm。塑性破坏特征较明显。

2组岩体软弱结构面(τj213-1,τj213-2)抗剪试验，为岩屑夹泥型结构面(软弱结构面)。试件在剪切破坏后，应力下降的幅度较小，并快速趋于残余稳定值，试件均沿结构面剪出。τj213-1剪断时的剪切位移在2.493 mm～9.285 mm，平均为4.44 mm，τj213-2剪断时的剪切位移在3.148 mm～11.4 mm，平均为5.482 mm，呈现出明显的塑性破坏特征。

3 岩体结构面抗剪强度预测结果

Hoek-Brown认为岩体是由被结构面分割的、相互镶嵌的坚硬脆性的大小岩块所组成，结构面上可以有也可以没有软弱物质充填，岩体的强度取决于完整岩块的强度及其可活动的自由度，而这种自由度又取决于结构面的数量、方位、间距及其抗剪强度。

霍克及布莱研究了大量岩体的抛物线型破坏包络线，得出了岩体破坏的经验判据：

将现场岩体结构抗剪试验测试的2组夹泥型岩体结构面成果见表1。

表1 岩体结构面抗剪强度试验成果

2组岩屑夹泥型岩体结构面，采用上述抗剪强度预测及分析的Hoek-Brown经验公式的基本理论与方法，对其进行预测分析与整理。

将2组岩屑夹泥型岩体结构面τj213-1,τj213-2抗剪强度试验的所有试点视为Hoek-Brown的研究对象，取点群中心法峰值强度平均值C′=0.08 MPa、残余强度平均值C=0.05 MPa，并由试验时的τ,σ值求出峰值强度下的a=-0.055 4,b=5.847 9及残余强度下的a=-0.427 9,b=5.038。由于σC在计算中影响较小，根据资料及经验，取σC=30 MPa，预测结果如表2，表3所示。

表2 岩屑夹泥型岩体结构面抗剪试验峰值强度预测结果(Hoek-Brown法)

表3 岩屑夹泥型岩体结构面抗剪试验残余强度预测结果(Hoek-Brown法)

因此，岩屑夹泥型岩体结构面的剪切破坏准则可用如下莫尔包络线方程表示。

峰值：

残余：

由于硬性结构面抗剪强度的预测方法与上述方法一致，其预测结果也较相同，因此不再赘述。预测汇总结果见表4。

表4 岩体结构面抗剪试验强度预测结果(Hoek-Brown法)

从表4可知，Hoek-Brown法预测结果与点群中心法的峰值强度平均值、残余强度平均值较为相近。其中，峰值强度、残余强度预测结果φ(f)值偏小，C值偏大。可能与其预测的试验数据(试验点数)偏少有关。

4 岩体结构面抗剪试验成果拟合分析

把两组为微风化、块状结构火山角砾岩(T3xd8)(硬性结构面)，两组为弱风化、次块状结构火山角砾岩(T3xd8)(软弱结构面)采用线性、多项式等方式进行拟合如图1，图2所示，采用相关系数最大的公式做为同类型结构面强度计算参考公式。

微风化、块状结构火山角砾岩(T3xd8)：

τ′=-0.295 2σ′2+1.070 4σ′，R2=0.926 5；

τ=-0.309σ2+0.946 8σ，R2=0.887 2。

弱风化、次块状结构火山角砾岩(T3xd8)：

τ′=0.022 6σ′2+0.19σ′，R2=0.874 7；

τ′=0.029 2σ2+0.136 5σ，R2=0.841 1。

结构面的强度可以根据现场结构面的厚度、面粗糙度、充填物质等因素，对比本次进行的4组结构面抗剪强度，并采用一定的数学计算方法(如插值)结合拟合图形及计算公式进行参数预测。即在一定的正应力条件下，结构面的抗剪强度不是直线型发展的，在结构面试验中一定要注意曲线所代表的参数选值和界定范围及环境。

一般情况下，结构面受到的垂直压力越大，导致结构面间的硬性颗粒摩擦及面与面之间的摩擦越强烈，因此结构面的强度可能会有适当的比例提高。

5 结语

本文通过对某水电站岩体结构面的试验结果的分析研究得出以下结论。

1)Hoek-Brown法预测结果与点群中心法的峰值强度平均值、残余强度平均值较为相近。其中，峰值强度、残余强度预测结果φ值偏小，C值偏大。可能与其预测的试验数据(试验点数)偏少有关。但Hoek-Brown法可作为试验数据较分散的结构面力学性能的一种预测方法。

2)采用拟合的方式分析结构面抗剪性能，即在一定的正应力条件下，结构面的抗剪强度不是直线型发展的，在结构面试验中一定要注意曲线所代表的参数选值和界定范围及环境。

3)结构面强度主要受结构面充填物质、结构面形态等因素的影响，通常情况下结构面的破坏是经过了蠕滑后，加速度逐渐加大导致的结果，因此在结构抗剪试验中应开展结构面的蠕变(流变)试验，蠕变(流变)试验破坏的起始阈值是工程建设结构面安全评定、评价的重要参数。

4)本文介绍的两种方法可为同类工程结构面抗剪力学性能提供参考和借鉴。