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岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应
岩石力学与工程学报23（20）：
3418～34252004年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2004
第23卷第20期
岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应
曾纪全杨宗才
（国家电力公司成都勘测设计研究院成都610072）（惠州市水电建设工程有限公司惠州516001）＊
摘要通过对泥质粉砂岩、泥质灰岩抗剪强度参数的层面倾角效应研究，以及石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应研究，就结构面倾角对层状、似层状岩体抗剪强度参数产生的影响进行了较详细的剖析，阐明了层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的本质和机理，并在此基础上对受倾角效应影响的层状、似层状岩体抗剪强度参数取值进行了较深入的分析，提出了较为客观的、极具参考价值的层状、似层状结构岩体抗剪强度参数的取值原则。
分别得到了层状结构粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩以及薄层的层状结构灰岩、片岩、板岩的系列强度参数与结构面倾角α的相关公式。
层状、似层状结构石膏模拟试件不同裂隙倾角条件下的室内三轴剪切试验研究进一
步表明，新提出的相关公式可作为类似结构岩体抗剪强度参数在不同层面倾角下的取值参考。
关键词岩石力学，结构面，抗剪强度，倾角效应，中型剪切，三轴剪切
分类号TU459.2文献标识码A文章编号1000-6915（2004）20-3418-08
DIPEFFECTOFSTRUCTURALPLANEONSHEARINGSTRENGTH
PARAMETERSOFROCKMASS
ZengJiquan1，YangZongcai2
（1ChengduHydroelectricInvestigationandDesignInstituteofSPC，Chengdu610072China）
（2HuizhouHydroelectricConstructionEngineeringCompanyLtd.，Huizhou516001China）
AbstractThroughresearchingthedipeffectoflayerplaneontheshearingstrengthparametersofargillaceoussiltstoneandlimestoneandthedipeffectofstructuralplaneonthemechanicalpropertyofgypsumsamples，thedipinfluenceofstructuralplaneontheparametersofshearingstrengthofstratiformandstratifiedstructuresisanalyzedindetail，andthemechanismofanisotropyofmechanicalpropertyofstratiformandstratifiedstructureisdiscussed.Theprincipleofdeterminingshearingstrengthparametersofstratiformandstratifiedstructurisputforward.Thecorrelationformulasbetweenthedipofstructuralplaneandparametersofstearingstrengthareestablishedfordifferentkindsofstratiformandstratifiedrockmasses，respectively.Thetriaxialtestsofgypsumsamplesofstratiformandstratifiedstructuresshowthattheproposedformulasareusefulfordeterminationofshearingstrengthofthesimilarrockstructures.
Keywordsrockmechanics，structuralplane，stearingstrength，dipeffect，mesotypesheartest，triaxialsheartest
1前言
部分变质岩（如板岩）等层状结构和火山岩（如玄武岩）等似层状结构为特点的岩体十分常见。
随着近20多年国民经济的发展，在这种岩体结构内已开工和即将开工的大量水电、交通等工程中，由于这种特在水电工程建设中，以沉积岩（如砂岩、泥岩）、
2003年5月7日收到初稿，2003年6月26日收到修改稿。
*国家电力公司科学技术项目（SPKJ006-02-04-02-03）资助课题。
作者曾纪全简介：
男，50岁，1981年毕业于四川电力职业技术学院水工建筑专业，现任高级工程师、科研所副总工程师，主要从事岩石力学试验方面的研究工作。
第23卷第20期曾纪全等.岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应•3419•
殊结构对所赋存岩体力学性质的控制作用，在对其开展了大量的工程试验研究，取得了丰富的研究成果之后，提出了层状结构岩体力学性能的“各向异性”概念。
但综合分析国内外对层状、似层状结构岩体各向异性的研究成果，发现以下问题仍有待于深入研究：
（1）以往研究岩体各向异性，常常理论分析多于试验研究；
（2）对于岩体各向异性的试验研究，由于受取样及试验条件的限制，岩石试验往往多于岩体；
（3）由于岩体各向异性不仅受层面（裂隙）倾角的影响，且对岩体的力学性能（E0，f，c等）的影响分析往往是定性的；
（4）由于受取样和试验条件所限，目前国内外尚无一套完善的有关层状、似层状结构岩体力学性质（尤其是强度参数）参数的试验成果及较成熟的取值原则。
针对以上存在的问题，笔者于1998年7月至2001年2月开展了“岩体（石）力学各向异性试验及取值研究”的子题研究工作。
本文摘录于该研究报告的第3部分，结合近期其他工程试验成果，就结构面倾角对岩体抗剪强度参数的影响有以下论述。
2结构面倾角效应
层状、似层状结构岩体中结构面的分布常呈近似平行排列，因此结构面分布对岩体的力学性质（各向异性）的影响主要体现在结构面的倾角和数量两个方面。
因此结构面倾角、数量均在控制层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的总的前提下产生了不同的影响。
另外，由于现场取样困难及室内试验条件所限，对结构面倾角效应的分析绝大部分是通过石膏模拟材料来实现的。
试验中采用相同结构面数量，三轴试验时以相同围压，考虑不同结构面倾角α进行各种试验（中型剪、现场大型剪试验时，指结构面与水平推力方向的夹角，见图1；三轴剪切试验时，指结构面与最大主应力作用面的夹角，见图2）。
2.1泥质粉砂岩抗剪强度参数层面倾角效应（中型
剪）
Ph
0°
图1岩石剪切试验结构面与水平推力的夹角αFig.1Includedangleofhorizontalthrustandstructuralplane
forsheartestofrock
图2石膏试件三轴剪切试验结构面与最大主应力作用面
的夹角α
Fig.2Includedangleofthemajorprincipalstressplaneand
structuralplanefortriaxialsheartestofgypsumsample
为论证结构面（层面和裂隙）的倾角效应，必须在排除可能影响试件力学性能的其他因素干扰的前提下进行试验。
对于层状、似层状结构岩体力学性质的结构面倾角效应，试验研究中采用特殊取样工具，有针对性地进行了结构面倾角为30°，45°和60°时3种角度的中型剪试验，剪切面尺寸为20cm×20cm，试验的τ-uh曲线（均考虑正应力σ=&3.0MPa下）见图3。
从图3可见有以下特点：
（1）τ-uh曲线随结构面倾角不同，形状有较大差异。
具体而言，α=60°时曲线呈典型的峰态，而在α
=
30°和45°时，曲线基本上呈微峰态，峰值不甚明
显，这表明结构面倾角对τ-uh曲线影响是显著的。
（2）随结构面倾角的增大，在相同应力水平（即正应力、剪应力）下的剪切应变量有逐渐减小的趋
势。
具体而言，在剪应力τ
＜5MPa的情况下，3种
•3420•岩石力学与工程学报2004年
角度的剪切应变量表现为在结构面倾角为30°时最大，45°和60°时则较为相近；在剪应力τ＞5MPa
切面上所得的面积占整个剪切面积的比例会逐渐减小，α=90°时达到最小。
因此α越大，直剪剪切中岩块面积所占的比例越大，从而表现出强度参数随
α增大而增大的变化特点。
表1泥质粉砂岩（含4条层面）不同倾角下剪切试验成果Table1Sheartestresultsofargillaceoussiltstonewith
stratiformstructuresofdifferentdips
结构面倾角/（°）
强度参数
f′
0.942.60f′
301.152.65
451.552.66
601.833.618642
c′/MPa901.904.60
的情况下，则明显表现出在结构面倾角为30°时的剪切变形量最大，45°次之，60°最小。
当剪应力τ=6MPa时，α=30°试件的剪切应变量为α=60°时的
3.9倍，α=45°时的2.7倍。
uh/mm
τ/MPa
c′/MPa
图3不同倾角泥质粉砂岩抗剪断τ-uh曲线
（正应力σ=&3.0MPa）
Fig.3τ-uhcurvesofargillaceoussiltstonewithdifferentdips
&3.0MPaandσ=
（3）在结构面倾角为30°～60°的范围内，抗剪断峰值强度τ′随倾角的增大而增加，α=60°时试件的τ′（9.8MPa）为α=45°时试件的1.32倍，为α=30°时试件的1.63倍。
（4）在结构面倾角为30°～60°范围内，破坏前的剪应变总量uh总同样也随倾角增大而减小，α=30°时试件的uh总为α=45°时试件的1.04倍（两者较为接近）及α=60°时试件的1.93倍。
上述特点表明，层状结构面倾角对其岩体的变形性能和抗剪强度影响是显著的。
与上述变形和抗剪强度随结构面倾角变化规律相对应的是，结构面倾角对于层状结构的泥质粉砂岩直剪所得的抗剪强度参数
f′，c′也具有明显的效应。
根据上述3个角度，结合0°和90°所得的试验结果（表1）对f′和c′分别与结构面倾角α作散点图
α/（°）
图4层状结构泥质粉砂岩f′，c′-α关系曲线Fig.4Curvesoff′，c′vsαofargillaceoussiltstonewith
stratiformstructures
2.2泥质灰岩抗剪强度参数层面倾角效应（现场大
型剪）为进一步论证结构面（层面和裂隙）的倾角效应，又在具备条件的现场进行了岩体大型剪试验。
试验研究中同样采用特殊制样工具，有针对性地进行了结构面倾角为120°，135°和150°时3种角度的单点法现场大型剪试验，剪切面尺寸为50cm×50cm，试验的τ-uh曲线（正应力σ=1.1MPa下）见图5。
从图5可见有以下特点：
（图4），可见在0～90°变化范围内，f′和c′均呈随
α的增加而逐渐增大的变化规律。
分别对f′，c′与α
作相关分析，可得如下相关式：
f′=0.94+0.01α，r=0.950
（1）c′=2.18+0.02α，r=0.887
（2）
上述τ′，f′和c′随α增加而逐渐增大的变化规律，对不受围压作用的直剪试验结果而言，是符合
（1）τ-uh曲线随结构面倾角不同，形状相似。
均呈微峰态，峰值虽明显但峰值以后残余值下降不显著，表明结构面倾角对τ-uh曲线形状影响不大。
（2）随结构面倾角的增大，在相同应力水平（即正应力、剪应力）下的剪切应变量有逐渐增大的趋势。
具体而言，在剪应力τ＜1MPa的情况下，3种角度的剪切应变量较为接近；在剪应力τ＞1MPa
实际情况的。
因为随着α的增加，结构面投影至剪
第23卷第20期曾纪全等.岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应•3421•
2.52.01.51.00.50.0
f，c/MPa
500
u/mmh
°
135°150°
τ/MPa
90010001500
120150
180
图5不同倾角泥质灰岩抗剪断τ-uh曲线（正应力
σ=1.0MPa）
Fig.5τ-uhcurvesofargillaceouslimestonewithdifferentdips
α/（°）
图6层状结构泥质灰岩f，c-α关系曲线
Fig.6Curvesoff，cvsαofstratiformargillaceouslimestone
时的剪切变形量的情况下，则明显表现出α=150°
最大，135°次之，120°最小。
当剪应力τ=1.39MPa
时，α=150°时试件的剪切应变量是α=135°时的1.3倍和α=150°时的1.8倍。
（3）在倾角为150°～120
°的范围内，抗剪强度τ随倾角的减小而增加，均以峰值强度为准，α=120°时试件的τ（2.4MPa）是α=135°时试件的1.45倍，是α=150°时试件的1.71倍。
（4）在倾角为150°～120°范围内，破坏前的剪应变总量uh总随倾角的减小而增大，α=120°时试件为α=135°时试件的1.19倍和α=120°时试件的1.56倍。
上述特点表明，层状结构面倾角对其岩体的变形性能和抗剪强度影响是显著的。
同样，结构面倾角对于层状结构的泥质灰岩大剪所得的抗剪强度参数f，c也具有明显的效应。
根据上述3个角度，结合180°（0°）和90°所得的试验结果（表2）对f和c分别与结构面倾角α作散点图，如图6，可见当α在90°～180°范围内变化，f和c均呈现随α的减小而逐渐增大的变化规律。
分别对f，c与α作相关分析，可得如下相关式：
上述τ，f和c随α减小而逐渐增大的变化规律，对不受围压作用的大型剪试验结果而言，是符合实际情况的。
因为随着α的增大，结构面投影至剪切面上所得的面积占整个剪切面积的比例会逐渐增大，α=180°时达到最大。
因此α越小，剪切中岩块面积所占的比例越大，从而表现出强度参数随α增
大而减小的变化特点。
2.3石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应（三
轴剪切）
层状和似层状结构岩体，如果考虑包含较多的结构面，则现场取样加工非常困难。
因此，对这类结构岩体力学性质各向异性的试验研究，主要集中于室内配制与层状结构岩体相似的石膏试件上，石膏试件为圆柱体，高度10cm，直径5cm。
为了全面掌握不同裂隙倾角及其数量对力学性质的影响程度，分别在刚性压力试验机上进行了裂隙倾角α为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°时的7个角度和含1，2，3，4条不同裂隙数量的岩样的常规三轴剪切试验。
试验结果见表3。
2.3.1三轴剪切变形的裂隙倾角效应
此项试验选择相同裂隙数量（2条）、相同围压σ3=100kPa时，考察30°，45°和60°这3个不同倾角的三轴剪切试验结果，将所得的（σ1－σ3）-ε曲线绘于图7中，从图中可见以下几点：
（1）与泥质粉砂岩直剪结果相比，石膏试件三轴剪切应力-应变曲线也分峰态明显（曲线1）和呈微峰态（曲线2和3）两种。
显然，在σ3=100kPa围压下，裂隙倾角对σ-ε曲线的类型具有较明显的影响。
f=7.3642e
0.0146α
，r=0.908（3）
c=0.896+0.0034α，r=0.963（4）
表2泥质灰岩不同倾角下剪切试验成果
Table2Sheartestresultofargillaceouslimestonewith
differentdips
强度参数
180
fc/MPa
0.500.26
1500.820.38
）结构面倾角/（°
1350.990.45
1201.660.51
901.700.56
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表3石膏试件三轴剪切试验成果（模拟层状、似层状
结构岩体）
Table3Triaxialsheartestresultsofgypsumsamples
裂隙倾角/（°）
裂隙条数n（条）
13131
60
2341
45
2341
30
234
15
1313
抗剪断强度f′
90
1.080.981.151.001.281.191.111.101.331.331.231.201.541.481.531.431.541.521.511.48
c′/MPa0.480.440.110.050.120.130.090.100.170.170.120.111.151.001.030.951.251.221.231.20
抗剪强度f1.000.941.020.961.041.111.001.001.191.231.031.021.301.291.281.281.381.341.311.28
c/MPa0.060.050.040.020.020.040.040.050.010.010.010.010.530.510.500.480.700.650.600.55
60°时试件的应变量是α=30°时试件的2.08倍和
α=40°时试件的0.69倍。
（3）当α=30°～60°范围内变化时，三轴强度（σ1－σ3）也随倾角增大而降低，以峰值应力差为例，α=30°时试件的三轴强度为α=45°时试件的3.76倍和α=60°时试件的4.94倍，但从整个裂隙倾角0°～90°变化范围内三轴强度的变化态势（见图8），在开始阶段，三轴强度逐渐降低，然后又快速升高，其最低值出现在α=45°～60°范围内。
上述分析是围绕含相同裂隙数量（2条）的石膏试件在相同围压（σ3=100kPa）下的试验结果进行的，如果改变围压状态（σ3=0和50kPa），裂隙倾角对其力学性能的效应与σ3=100kPa基本上是相似的（图9，10）。
进一步分析可知，围压的变化也会产生一些差别（见图7，9，10），具体表现如下：
（1）随围压升高，破坏前总应变量随裂隙倾角不同而表现为不同的变化方式，α=30°和60°时试件应变表现为逐渐减小；α=45°时则表现为逐渐增大的变化趋势。
（σ1－σ3）/MPa
α/（°）
75
8（σ1－σ3）/MPa
642
图8石膏试件三轴强度（σ1－σ3）与裂隙倾角α的关系曲线Fig.8Relationofcrannydipsandtriaxialshearstrengthof
ε/10
－2
gypsumsamples
（σ1－σ3）/MPa
（σ3=100kPa，2条裂隙）
图7不同倾角石膏试件三轴的（σ1－σ3）-ε曲线Fig.7（σ1－σ3）-εcurvesoftriaxialsheartestforgypsum
sampleswithdifferentdips
但因受力方式不同，因此与上述的泥质粉砂岩直剪结果相反，即α=30°时峰值明显，45°和60°时则呈微峰态。
（2）
随裂隙倾角增大，相同应力水平下的应变量一般表现出明显增加的趋势，但局部也会有所差异。
例如，当应力水平（σ1－σ3）为1.0MPa时，α=
ε/10
－2
（σ3=50kPa，2条裂隙）
图9不同倾角时石膏试件三轴强度（σ1－σ3）与裂隙倾角α的关系曲线
Fig.9（σ1－σ3）-αcurvesoftriaxialsheartestforgypsum
sampleswithdifferentdips
第23卷第20期曾纪全等.岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应•3423•
（σ1－σ3）/MPa
f′
ε/10－2
（σ3=0，2条裂隙）
α/（°）
图13含3条裂隙石膏试件三轴剪切的f′-α关系曲线Fig13f′-αcurvesoftriaxialsheartestforgypsumsamples
withthreecrannies
图10不同倾角时石膏试件三轴强度（σ1－σ3）与ε的关系
曲线
Fig.10（σ1－σ3）-εcurvesoftriaxialsheartestforgypsum
sampleswithdifferentdips
c′/MPa
（2）随围压升高，α=45°时试件的三轴强度有所升高，但升高幅度不大，而α=30°和60°时试件
的峰值强度基本上无明显变化。
从以上分析可以认为，裂隙（层面）倾角对层状、似层状结构岩体力学性能的效应是明显的。
2.3.2三轴剪切强度参数的裂隙倾角效应
以上石膏试件不同倾角的三轴剪切试验变形性分析显示出，对应的力学参数（f′，c′）的倾角效应也是很显著的。
根据表3结果，分别对上述力学参数f′
，c′与裂隙倾角α作相关分析（图11～14）可以得出以下几点规律：
）α/（°
α/（°）
图14含3条裂隙石膏试件三轴剪切的c′-α关系曲线Fig.14c′-αcurvesoftriaxialsheartestforgypsumsamples
withthreecrannies
（1）强度参数f′随裂隙倾角α的增大而减小，两者呈近似负相关关系。
同时比较含1条和3条裂隙相对应的f′-c′散点图，可以看出含3条裂隙试件的强度参数f′随α增加而降低的幅度更快一些。
另′/fmin′=1.43，外含1条裂隙试件的fmax含3条裂隙试
′/fmin′=1.56。
件的fmax
（2）强度参数c′随裂隙倾角α在0°～75°范围内的增加而减小，但在α=75°～90°范围内又随α的增大而增大，其变化趋势呈一近似倒“S”型，如图14。
如果对α=0°～75°范围内c′与α进行相关分析，显示出c′与α两者也呈近似负相关关系。
而对含1条和3条裂隙试件c′-α散点图上看，c′随α的增加而降低幅度，两者基本上是相同的。
另外
′/cmin′=11.36，含3条裂隙试含1条裂隙试件的cmax′件的c′max/cmin=24.00。
对各种条件下的
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