关于岩质边坡力学参数问题.docx
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关于岩质边坡力学参数问题
关于岩质边坡力学参数的选择与应用
1岩质边坡力学参数的确定
1.1试验是力学参数的基础
边坡稳定分析中，岩体和结构面参数的确定是重要的一部分。
岩体是天然地质体，有其发生、发展和改造的过程，其组成成分、结构、构造和赋存环境复杂多变，很难有均匀的、连续的、有规律的或两者完全一致的岩体。
岩体、包括结构面的宏观力学参数的确定是非常困难的。
目前比较实际的解决方法是：
首先进行工程地质分区，使每个分区内的岩体大致有相对均匀、相对有规律的力学特性；然后选择有代表性的岩块、岩体和结构面，进行室内和野外试验，对试验成果进行统计、分析，得出有代表性的数据，最后结合具体地质条件和工程效应，提出力学参数建议值。
试验成果是提出力学参数的基础。
1.2不能直接使用试验数据的原因
主要基于以下原因试验数据不能直接用于计算。
1）天然地质体的复杂性
由于岩体和结构面本身的复杂性，以及取样、试验方法的困难和局限性，试验成果不能直接使用。
首先是成果常有较大的分散性，取决于众多的复杂因素。
在进行统计分析时，人们经常认为试验数量不够，特别是由于大型原位试验有较大的难度，不可能作大量试验，这是个实际问题。
例如关于坝基抗滑稳定力学参数，在GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》中第5.3.2条第4款就规定：
“控制坝基抗滑稳定的岩层或滑动面的原位抗剪和抗剪断试验组数不应少于4组。
”假如就做了4组试验，则抗剪断参数只有4个（采用单点法抗剪参数可以得到16〜20个，然而关键数据仍是抗剪断强度）。
这4个抗剪断参数无论比较接近或比较分散，人们都可能怀疑其代表性。
即使取得足够数量的试验值，当人们了解这些不尽相同的值是由于不同因素的影响形成时，例如：
壁面起伏、夹泥厚度、成分、结构、密实度和含水量，以及制样和试验过程中的不同情况等，人们还是怀疑能不能用简单的统计方法去对待这些试验成果。
特别是对于多组裂隙发育的岩体，即所谓的节理岩体，其抗剪断和抗剪参数与节理本身的强度，以及节理的产状、长度、间距、连通率和相互组合情况等密切相关，原位试验常常得出差异很大的成果。
有各种理论和方法对节理岩体的参数进行统计，希望以模拟计算方法求出岩体的力学指标，但始终是尚未完全解决的问题。
2）试验模拟自然条件的局限性
岩体物理力学特性与其赋存环境有密切关系，例如，在未受干扰的地下深部环境，断层的构造夹泥可以有很高的密度，孔隙比很小，即使处于地下水位以下，甚至河床底下，也很难饱和，即使饱和也仍然处于固态或半固态，可以有较高的力学强度；而在受卸荷作用的浅部环境，除构造夹泥外还有次生夹泥，干燥时为固态或半固态，遇水即进入塑态甚至流态，力学强度很低。
因此，试验必须模拟自然条件，最主要的是模拟其所处的应力场和渗流场。
只有愈接近真实环境的试验才愈有代表性。
众所周知，岩土试验分室内试验和现场试验，室内试验又有原状样和扰动样之分。
不同的试样和试验方法有不同的目的。
即使是现场试验也很难模拟自然条件。
目前规范的或常规的试验方法总是不可避免发生卸荷作用。
这使得人们常用推论的方法，根据可能形成的围压、渗流等条件对参数进行自认为合理的修正。
1.3解决宏观力学参数问题的方法目前比较常用的方法可分为以下几种：
1）经验分析法
⑴系数折减法
根据力学参数与各种因素的关系，考虑这些因素在空间分布和时间变化的规律，又从安全考虑出发，对试验成果进行折减，提出建议值。
多年来，我国许多大中型水电工程均采用这一方法，积累了较丰富的经验。
⑵工程类比法
根据地质条件相同且成功运行的工程经验，类比取值。
我国GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》附录D中，表D.0.3和D.0.5分别为《坝基岩体力学参数》和《结构面、软弱层和断层的抗剪断强度》，均可以在规划、可行性研究阶段试验资料不足时，结合地质条件折减选用。
这些数据均属于工程类比的成果。
⑶岩体综合分类法
根据岩体不同方面的特性，进行工程地质分类或分级，并按经验类比方法提出岩体包括结构面的宏观力学参数。
代表岩体基本特征的几个方面和常用代表性指标有：
以单轴抗压强度代表岩块特性，基本反映岩性和风化程度；以弹性波传递速度Vp代表岩体变形特性，
换算完整性系数，间接反映岩体完整特性；以节理间距和RQD代表岩体结构和被切割程度；以节理特征反映岩体破坏特征和强度；以地下水条件反映岩体透水性和受水作用的环境。
我国GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》中，附录K、L和P,分别为《岩体结构分
类》、《坝基岩体工程地质分类》和《围岩工程地质分类》，均在不同程度上可以作为提出岩体宏观力学参数的基本参考依据。
国外比较知名的岩体分类方法是比尼奥斯基的RMR系统，霍克－布朗利用该系统对岩体评定的分值提出岩体破坏准则，建立了岩体f'、c'值与岩体分类分值的经验公式。
近年
来霍克又提出地质强度指标GSI分类体系，使霍克－布朗准则的应用更切合自然地质条件。
⑷统计及可靠度分析法对于地质条件和试验条件相同的试验数据进行统计学和可靠度分析，提出具统计特征
的力学参数。
由于岩体试样数量不足，不得不采用一些补救方法。
例如经验与统计相结合的方法。
2）物探分析法
采用弹性波探测方法可以得出大范围岩体的综合动力学参数，然后与岩体的静力学特
性作相关分析，换算为静力学特性参数。
3）数值模拟法
采用不同的几何条件和破坏机理假设，以数值分析方法对节理岩体进行分析得出宏观力学参数。
4）试验模拟法
以相似学原理作岩体模拟试验，藉以求出在工程荷载作用下岩体的变形响应，据此计算出岩体的宏观力学参数。
一般常用石膏模型对节理组合模式的研究，例如巴顿关于节理连通率的研究，日本学者关于节理组受压剪和张剪的模型试验，哈秋舲、李建林等模拟三峡船闸边坡节理岩体的结构效应和各向异性以及卸荷特性等。
1.4力学参数确定的实际操作过程目前我国水电勘测设计单位一般按如下程序确定参数：
1）设计项目负责人提出勘测任务书；
2）地勘项目负责人制定勘测试验工作大纲；
3）地勘或设计单位委托试验单位取样试验，提出试验成果，经整理后提出标准值；
4）地勘单位根据试验成果和标准值，结合工程地质条件提出地质建议值；
5）设计单位参照标准值和地质建议值，作各种因素的敏感性分析，或者根据边坡的稳定临界状态进行参数反演，然后根据工程的重要性、破坏风险程度和工程处理的可行性，有的还要征求地质、试验单位的意见，最终确定设计采用值。
这种确定计算参数的程序是多年经验积累逐渐形成的，是能较好解决实际问题的途径。
2力学参数与边坡特性的关系
2.1边坡稳定状态与力学参数的关系：
边坡的破坏有其发生发展阶段。
类比现场大型试验的变形破坏阶段，边坡的不同稳定状态应对应不同的力学参数。
1）原始稳定边坡：
边坡形成以来，除浅表层卸荷回弹外，没有经受明显变形的边坡。
在控制其整体性稳定的结构面上，剪应力尚未超过其比例极限强度。
2）初始变形边坡：
沿控制性结构面开始有变形迹象的边坡，该结构面上主滑段的剪应力已经超过比例极限，到达或超过屈服值强度。
抗滑段的剪应力已经接近或到达屈服强度。
3）大变形边坡：
沿控制性结构面发生大变形的边坡，该结构面上主滑段的剪应力已经超过屈服强度，到达或超过峰值强度，抗滑段的剪应力已经接近或到达峰值强度。
4）变形边坡：
沿控制性结构面已经发生过破坏，现在又发生变形的边坡，该结构面（或滑面）剪应力已经接近或到达残余值强度。
5）蠕滑边坡：
沿控制性结构面长期蠕滑的边坡，该结构面（或滑面）的剪应力已经接近或到达长期强度。
当对边坡控制性结构面的强度进行反演时，应按边坡的不同临界稳定状态确定其力学参数的性质。
2.2边坡设计标准与力学参数的关系边坡稳定设计标准要求不同时，应采用不同变形阶段的力学参数
1）对于受有限变形控制的边坡应采用比例极限强度或与有限变形量相适应的屈服强度；
2）对允许大变形且不拟处理或仅用被动锚固措施处理的边坡应采用残余强度；
3）对于原始稳定又有锚固措施的岩质开挖边坡可以采用峰值强度。
2.3边坡的不同地质条件与力学参数的关系
1）堆积体边坡：
应根据地下水情况采用天然状态强度或饱和强度。
2）岩质边坡：
岩质边坡稳定性一般受结构面控制，结构面的力学特性除本身因素外，与其赋存环境，特别是边坡的地应力场和渗流场密切相关。
必须在充分研究河谷发展史的基础上，了解边坡形成过程，掌握边坡岩体的风化、卸荷特性，地下水沿节理网络运动特性等，然后结合岩土试验成果，一般应以现场试验成果为基础提出分区或分带的力学参数。
参见以下论述。
2.4根据边坡稳定性反算滑面强度参数的讨论
2.4.1关于滑动破坏过程中稳定状态的讨论在李功伯、谢建清编著的《滑坡稳定性分析与工程治理》（地震出版社，1997）中，对基岩滑坡的主滑地段、牵引地段和抗滑地段的滑带土在不同滑动阶段的抗剪强度特征进行分析总结，见下表
表2.4.1滑带土在不同滑动阶段和地段的抗剪强度特征
滑动阶段
主滑地段
牵引地段
抗滑地段
蠕动阶段
已越过峰值强度
某些部分越过峰值
未超过峰值强度
挤压阶段
向软化点强度过渡
已全部越过峰值强度
开始受力，局部越过峰值强度而破坏
滑动阶段
向残余强度过渡
视具体情况，可能向残余强度过渡
已越过峰值强度向软化点强度和残余强度过渡
大滑动阶段
残余强度
可能为残余强度
主要部分为残余强度
固结阶段
强度有适当恢复
铁路系统对于边坡滑动破坏的阶段划分与上表相同。
实际上，各滑动阶段即相当于我
们所说的稳定状态。
我们认为蠕滑阶段易于和蠕滑边坡混淆，因为有些滑坡的滑动方式就是
整体性蠕滑，所以将此阶段划为初始变形阶段。
在滑坡地段划分上，我们认为牵引地段以其
位于顶部，范围较小，且基本处于临界稳定状态，否则就应划为主滑地段，因此可以忽略不计。
这样就可以简化为主滑段和抗滑段，便于反算力学强度参数。
2.4.2反算滑面力学参数时滑坡稳定系数的选择
反算滑面力学参数时稳定系数选择问题在铁路系统内部曾有较多讨论，水利水电边坡地质勘察技术规定（送审稿）也有类似规定，参见下表。
表2.4.2反算滑面力学参数时滑坡稳定系数的选择（铁路部门等的研究成果）
作者
滑坡发育阶段和稳定系数Ko
徐邦栋
阶段
蠕动
挤压
微动
滑动
大滑动
固结
Ko
1.20~1.15
1.15~1.10
1.05~1.00
1.00~0.90
<0.90
>1.0~1.2
付传兀刘光代
阶段
蠕动
微动
滑动
剧动
稳定固结
Ko
1.20~1.05
1.05~1.00
1.00~0.95
<0.90
>（1.0~1.2）
铁科院西北所
阶段
蠕动
挤压
滑动
剧滑
固结
Ko
1.10~1.00
1.00~0.95
>1.00
杨宗介
阶段
局部变形阶段
整体滑移阶段
稳定固结阶段
蠕动
微动
滑动
剧滑
固结
Ko
1.10~1.05
1.05~1.00
1.00~0.90
<0.90
>（1.00~1.10）
水利水电边坡地勘技术规定
（送审稿）
阶段
蠕动
挤压
滑动
剧滑
固结
Ko
1.10~1.00
1.00~0.95
>1
以上各家的看法大致相同，可以说是一种专家基本认同的经验归纳，然而没有见到更
详细的讨论。
我们认为反算力学参数首先应确定边坡相应临界状态。
滑面一般属于软弱层带，
其剪切变形破坏与软弱层带的大型原位剪切试验相似。
软弱层带大剪试验中变形曲线一般有
几个特征点，即：
屈服点、峰值点和残余值点。
这几个特征点对应着不同的临界状态。
由此推测，以上各家都是以剪应力达到峰值强度为临界状态，此时安全系数取为1。
剧滑时，强度降低到残余值强度，稳定系数为0.90~0.95，隐含之意残余强度大致为峰值强度的0.90~0.95倍。
蠕动挤压阶段，相当于开始大变形，稳定系数取为1.05~1.20，此时强度相当于达到峰值以前的屈服强度，但是该强度常难于确切择定，这与当时临界位移量的选择有关，而后者又与塑性变形所占成分大小有关，因此各家选择范围变化较大。
从另一个角度分析，如果以各特征点对应的状态为临界状态，假定当时稳定系数为1,
则可以反求出相应特征点的强度。
例如屈服点对应初始变形的发生，如果以安全系数为1反
演,此时得出的强度相应于屈服强度。
以长期处于蠕滑状态的滑坡稳定系数为1,反演得到的将是长期强度或残余强度。
实际上,屈服值、峰值、残余值和长期强度等几个特征值强度之间的比例关系是随滑带组成物质的特性而变的。
例如,滑坡的滑带若泥质含量较多、属于正常固结,各特征值的差值较小；以软弱层带为滑面,初次滑动的岩体,其滑带组成若粗粒含量较多,又处于超固结状态时,各特征值差值较大。
一个初次发生的滑坡,其稳定性以峰值强度控制,屈服强度一般为峰值强度的85%左右,则以峰值衡量的稳定系数应约为1.18。
一个多次滑动的老滑坡,其稳定性受残余值控制,其滑面屈服强度为残余值强度的90~95%,则以残余值强度衡
量的稳定系数约为1.11~1.05。
因此,反演滑面力学参数时,应结合滑坡性质、区分稳定状态,类比相应的力学试验过程,选好临界状态的稳定系数。
2.4.3复合型滑面力学参数的反演
复合型滑面一般为两段滑面组成,当超过两段时应简化为两段。
然后选择其中力学参
数把握较大者为定值，反演另一段的力学参数。
例如李家峡坝前n号滑坡为溃屈形成的滑坡，其上部顺层段利用坝址层间错动带试验成果确定,然后反演下部切层段的参数。
3结构面力学参数的确定
3.1结构面的分级
1）从力学特性上的结构面分级
从力学特性研究的角度出发,可以分成：
⑴软弱结构面：
当考虑变形时应该有厚度、变形模量和弹性模量等参数；当考虑抗剪强度时,一般不计入壁面的起伏和粗糙度的抗剪效应。
其破坏属于塑性破坏,峰值强度与残余强度基本一致；出现峰值的位移量随粘粒含量增加而增加，一般为40mm〜100mm。
⑵硬性结构面
应考虑起伏与粗糙度。
对稳定有影响的长大裂隙必须作单独处理,一般可作成组处理。
当作成组处理时,应对其迹长、间距和连通率（实际应是破坏时的连通效应）进行统计分析。
其破坏属于脆性破坏,峰值与残余值强度相差较大；出现峰值的位移量一般不超过4mm。
⑶隐式处理的低级结构面
无明显优势产状而又比较发育的低级结构面,可以作为节理岩体特性来处理。
只有在这种条件下，才可以利用岩体质量分类的方法，例如利用RMR或GSI系统，按霍克一布朗
岩体破坏准则提出岩体的抗剪强度。
2）岩体工程地质力学的传统分级
岩体工程地质力学的分级方法是针对一个建筑场地或地区来分级的,强调各级结构面
的空间规模，因此包括对区域性断层的划分，即把区域性断层作为第一级（I级）结构面来考虑，然后按照断裂结构面的规模顺序向下排列，一般I、n、川级结构面为软弱结构面，W、V级结构面为硬性结构面。
3.2结构面力学试验参数的确定
结构面的力学强度试验一般可分为以下情况：
1）室内试验与现场试验室内试验：
用岩心或试块裂隙面或原状试样裂隙面作的小型或中型直剪试验；现场试验：
在现场作裂隙或断层等硬性结构面和软弱面的大型直剪试验，其试件尺寸一般为0.7mx0.7m，最小0.5mx0.5m。
2）抗剪断强度与抗剪强度试验
一般来说抗剪断强度是结构面发生破坏时的强度，使用1组（4-5块试样）试验求
得，其强度与峰值强度相对应；抗剪强度是结构面已经发生明显变形但尚未破坏的强度，可
以用1组，也可以用1块试样采用单点法试验求得，其强度与比例极限或屈服强度相对应；已经破坏再次复位继续试验所得强度类似摩擦试验的摩擦强度或残余强度。
在不同勘察阶段
应按规范规定的试验组数得出试验值，经分析整理后得出标准值。
3）天然状态试验与饱水试验
硬性结构面的强度不会因水而软化，饱水试验一般是针对软弱结构面作的，见下节。
3.3断层夹泥的特性及强度选值问题
在土质边坡的稳定分析中，根据假设条件的不同，可以采用总应力法和有效应力法。
与此相应的试验方法和抗剪参数也分为总强度和有效强度两类。
在土力学的理论、试验方法
和实际应用方面都有严格的定义和规定。
在岩质边坡方面，理论上也应遵循这种做法，然而现实条件远不能满足理论假定的要求。
作为滑面或滑带的断层夹泥，在天然荷载状态下实际介于饱水与不饱水、排水与不排水状态之间。
稳定计算时如何选取抗剪强度参数是个很难解决的问题。
现从几方面对此问题作一说明。
1）断层夹泥特性
⑴成因决定的特性：
断层在构造应力下形成，压剪性断层带处于超固结状态，其内部已经形成剪切面，粘土颗粒定向排列，力学强度属于残余强度范畴，总地来说其强度有一定规律可循，但是也有后期固结产生结构强度的情况。
张性断层带常有较多的角砾混杂其间，强度变化范围较大，规律性较差。
⑵后期改造的特性
深部环境：
缓倾角断层围压条件好，其围压大于粘性土夹泥遇水产生的膨胀压力，大于工程荷载产生的抬升分应力，天然含水量低于塑限，难于饱和，甚至饱和含水量也小于塑限，基本保持原物理力学特性。
卸荷环境：
边坡中陡倾角断层围压易卸荷，常有次生夹泥充填，密度低，结构较松，粘粒吸水膨胀，原有力学特性易于软化。
2）试验条件
⑴现场试验是非正常意义的排水试验：
试件为天然含水量，其饱和度可大可小；0.5m-0.7m边长的试件顶面、底面一般不能排水，但是其周边可以排水；在加载速率上加以控制可以达到类似排水试验的效果；当模拟饱水条件时，只是在周边浸水，实际夹泥也并非
饱水。
⑵室内很难作三轴剪切试验，直剪扰动样难于达到天然超固结密度；试样过筛后粗颗
粒及其力学强度效应被排除，与真实情况相差较大。
3）工程实际条件
⑴有夹泥的断层上盘和滑动带上部常有上层滞水，夹泥饱和度常在80-90%以上。
但是地下水位以下的断层夹泥并非完全是有水力联系的饱水。
⑵平时地下水位以钻孔水位确定，在有降雨及河水位升降的不稳定渗流条件下，钻孔水位滞后于水压力的变化。
⑶重力始终作用。
当边坡切脚，结构面临空时，结构面上正应力值基本不变，但剪应力值可能有较大变化。
⑷剪切破坏时沿原有剪切面或滑面位移。
⑸剪切破坏时地下水排出速率较慢。
4）强度建议值与稳定计算中的实际问题
⑴当选择强度参数时，常以现场试验成果为基础，理解为有效强度，在分析计算边坡稳定系数时按有效应力法计算。
⑵由于断层夹泥厚度小，室内试验以直剪试验为主，很少作三轴试验。
有些单位提出的参数在常规排水或不排水意义上常常是混淆的，在边坡稳定分析计算时按有效应力法计算，就可能多了一层保守。
⑶在以断层或软弱夹层控制稳定的边坡中，一般程序均采用有效应力法进行计算。
在此前提下，应该采用现场天然状态抗剪试验和室内排水剪切试验成果作为参数选择的基础，以尽量接近实际情况。
4工程岩体分类方法
4.1有明确工程目的的岩体工程地质分类不能用作岩体力学参数确定的依据
目前，对坝基、地下洞室和边坡岩体都有工程地质分类的规定。
一般这种分类常常把各种结构面的力学效应考虑在内，但是在考虑岩体力学参数时，应该把结构面的强度单独区分出来。
例如在《水利水电工程地质勘察规范GB50287-99》中，附录L《坝基岩体工程地
质分类》是为坝基制定的。
在其坚硬岩H类“岩体工程性质评价”中，有“软弱结构面不控制岩体稳定”的说法。
这是完全针对坝基特性来说的，如果用在边坡上则不适宜。
例如同一条软弱结构面在反向坡不控制岩体稳定，在顺向坡即可形成滑面，则包含该软弱结构面的同一岩体，在一岸可划为n类岩体，在另一岸则难于确定划为何类岩体。
再如附录P《围岩工
程地质分类》是完全针对地下洞室围岩特性说的。
也不能用于边坡岩体力学特性划分的依据。
因此，以明确工程为使用目的的分类不能作为一般岩体力学参数分类的依据。
比尼奥斯基的RMR系统可以用于估算岩体的力学参数，但是必须首先把结构面的力学参数单独划分出来。
经过罗曼纳改造的SMR系统和经过我国学者改造的CSMR系统是专门用于边坡岩体稳定性评价的。
由于在其中考虑了结构面与坡面的走向和倾向的关系，以确定边坡稳定性为唯一目的，更不能用作岩体力学强度的依据。
4.2工程岩体分类的RMR系统
RMR系统是Bieniawski于1974年提出，以后经过多次修正，成为评价节理岩体工程特性的评分体系。
在我国首先用于地下围岩和坝基岩体分类。
1993年Romana对其进行改
进，考虑节理产状与边坡的相对关系和施工爆破对边坡的影响，形成边坡岩体分类系统，即
SMR（SlopeMassRating）。
我国水电工程界于“八五”期间，又考虑边坡高度等方面的影响，进一步提出CMSR边坡岩体分类系统。
4.3霍克－布朗岩体破坏准则和GSI系统
1）霍克－布朗岩体破坏准则的最初形式基本关系式为
式中ff1－破坏时的最大主应力
ff3－作用在岩体上的最小主应力ffc－完整岩体的抗压强度
m,s—常数
m，s常数的确定
①对于扰动岩体
m/m1=exp[（RMR-100）/14]s=exp[（RMR-100）/6]②对于未扰动岩体
m/m1=exp[（RMR-100）/28]s=exp[（RMR-100）/9]
式中mi—完整岩石的m值，可由三轴试验成果确定。
或按附表经验数据确定。
2）霍克—布朗岩体破坏准则的改进改进后的基本关系式为
i=3+c（m3/c+s）“
对于质量差的岩体，s=0，即
ff1=ff3+ffc（mff3/ffc）“
采用地质强度指标GSI代替RMR，其余参数按下式求出：
m/m1=exp[（GSI-100）/28]
对于GSI>25（未扰动岩体）
s=exp[（GSI-100）/9]
a=0.5
对于GSI<25（未扰动岩体）
s=0.5
a=0.65-GSI/200
3）霍克—布朗岩体破坏准则的应用
霍克提出采用下式确定岩体的C、u值
ffn=ff3+{（ff1-ff3）/[（Sff1/Sff3）+1]}
1/2
T=（ffn-ff3）（Sff1/Sff3）
对于GSI>25，且a=0.5
Sff1/Sff3=1+[m1ffc/2（ff1-ff3）]
对于GSI<25，且s=0
0a/a-1
0ff1/Sff3=1+am1（ff3/ffc）
通过一系列的ffn和T,即可直接确定岩体的C、u值
4）关于GSI和霍克—布朗准则的说明
RMR指
升级会员 