王帥星，賴國偉，繆嘉莉

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

壩工和巖土工程中所遇到的巖體、結(jié)構(gòu)面和混凝土/巖體膠結(jié)面等巖基材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是影響建筑物抗滑穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵因素。由于基巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)的重要性，幾十年來關(guān)于抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)與取值研究層出不窮,國外的研究相對(duì)較早，成果豐富。N. Barton 和 V. Choubey[1]研究了節(jié)理巖體的剪切強(qiáng)度取值方法及工程應(yīng)用，并提出了著名的Baton公式。T.W.Zeigler[2]論述了原位直剪試驗(yàn)原理和方法，而Glenn.Nicholson[3]則論述了工程巖體設(shè)計(jì)剪切強(qiáng)度的選擇方法。中國自上世紀(jì)80年代以后，對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究也逐步發(fā)展起來。蔡耀軍、徐福興[10]研究了大壩建基面抗剪強(qiáng)度取值，并結(jié)合工程實(shí)例，給出了巖體抗剪強(qiáng)度建議值的選取需要根據(jù)巖性、巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行折減的結(jié)論。楊超、宋彥輝[11,12]等人利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論各自提出了巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的估值模型，分別與Hoek-Brown準(zhǔn)則估值比較得出了更接近實(shí)際值的結(jié)果。曾紀(jì)全、雍睿[13,14]等人分別研究了巖體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)成果整理及參數(shù)選擇方法，并對(duì)其適用性進(jìn)行了研究。武雄[15]等人則提出了工程巖體抗剪強(qiáng)度的綜合確定方法-GMEM方法。

隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，我國承擔(dān)越來越多的國際水電項(xiàng)目，有些項(xiàng)目還需采用美國規(guī)范設(shè)計(jì)施工，因此對(duì)比中美規(guī)范關(guān)于巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)與取值的研究是很有必要的。本文正是基于此，立足于中美相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)，重點(diǎn)對(duì)比研究了中美關(guān)于巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)方法與取值、設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度選取等內(nèi)容，以便從事相關(guān)設(shè)計(jì)的人員參考使用。

1 巖基抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法中美對(duì)比

我國《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5368-2007)[16,17]規(guī)定了兩種巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)方法，即直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)。而美國文獻(xiàn)[2]中除了介紹上述兩種試驗(yàn)方法外，還介紹了另外兩種確定巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)方法，即扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，此外還詳細(xì)論述了各種試驗(yàn)方法及其適用性。國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)[22]也建議現(xiàn)場抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用直剪試驗(yàn)和巖芯的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)。然而，目前國內(nèi)外確定巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)最常用的試驗(yàn)方法是直剪試驗(yàn)。因此本文基于現(xiàn)場直剪試驗(yàn)展開對(duì)比研究。

直剪試驗(yàn)是將同一類型的試樣，在不同的法向荷載條件下進(jìn)行剪切，根據(jù)庫倫表達(dá)式確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)。直剪試驗(yàn)可分為抗剪斷試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)(摩擦試驗(yàn))、抗切試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)方法又分為平推法、斜推法、楔形體法三種。前兩種方法最為常用，可用于混凝土與巖基膠結(jié)面、巖基內(nèi)軟弱夾層、無填充結(jié)構(gòu)面及巖基本身的抗剪試驗(yàn)，而楔形體法有時(shí)用于巖基弱面的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)[19]。其中平推和斜推直剪試驗(yàn)的安裝方法如圖1所示。

1-砂漿；2-墊板；3-傳立柱；4-壓力表；5-混凝土試樣；6-混凝土后座；7-液壓千斤頂；8-傳力塊；9-滾軸排；10-相對(duì)垂直位移測表；11-絕對(duì)垂直位移測表；12-測量標(biāo)點(diǎn)；13-相對(duì)水平位移測表；14-絕對(duì)水平位移測表圖1 混凝土與巖體膠結(jié)面直剪試驗(yàn)[16]Fig.1 The direct shear test for concrete/rock cemented surface

1.1 混凝土與巖體膠結(jié)面原位直剪試驗(yàn)方法對(duì)比

混凝土與基巖膠結(jié)面原位直剪試驗(yàn)方法的對(duì)比主要包括試樣制備和荷載施加方法的對(duì)比。

1.1.1 試樣制備的對(duì)比

試樣制備過程中為了減小對(duì)試體的干擾，中美兩國文獻(xiàn)均建議采用手工作業(yè)、小尺度爆破等減小干擾的制備方法。試樣制備的目的在于制備能代表巖體性質(zhì)的合理試樣尺寸，中美兩國的文獻(xiàn)對(duì)此有不同的規(guī)定。我國《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[18]和《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5368-2007)[16]規(guī)定：試樣的剪切面積不應(yīng)小于2 500 cm2，最小邊長不應(yīng)小于50 cm，各試樣的間距不宜小于推力方向的邊長，試樣的高度不宜小于最小邊長的0.5倍。而美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)[4]建議試樣的剪切尺寸為70 cm×70 cm×35 cm，但實(shí)際工程也并不局限于此尺寸。然而，隨著試樣尺寸的變化，工程試驗(yàn)的成本也隨之變化，表1列舉了不同國家建議的試樣尺寸。

1.1.2 荷載施加方法對(duì)比

中美相關(guān)文獻(xiàn)規(guī)定的法向荷載和剪切荷載的安裝系統(tǒng)基本相同，如圖1所示。但法向荷載和剪切荷載的施加方法卻不相同，如圖1所示。我國的規(guī)范[16,17]規(guī)定：采用多點(diǎn)平推或斜推法進(jìn)行直剪試驗(yàn)，在每個(gè)試樣上施加不同的法向荷載，可分別為最大法向荷載的等分值，剪切面上的最大法向應(yīng)力不宜小于預(yù)定的法向應(yīng)力，一般可取為1.2倍的工程設(shè)計(jì)壓力，還應(yīng)考慮巖體的強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)以及設(shè)備的出力及精度。對(duì)于含有結(jié)構(gòu)面的巖體而言，試樣上的最大法向應(yīng)力不應(yīng)使巖體軟弱結(jié)構(gòu)面上的夾泥擠出。法向荷載采用分級(jí)施加的方式，分級(jí)可視法向應(yīng)力的大小和巖性宜分為1～3級(jí)。我國規(guī)范還建議，法向荷載施加采用時(shí)間控制法，加載后立即測讀法向位移，5 min后再測讀一次，即可施加下一級(jí)載荷。加至預(yù)定載荷后，仍按每5 min測讀一次，當(dāng)連續(xù)兩次法向位移之差不大于0.01 mm時(shí)，認(rèn)為穩(wěn)定，即可開始施加剪切載荷。而美國文獻(xiàn)[4]多采用單點(diǎn)法進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，每個(gè)試樣可進(jìn)行5次試驗(yàn)，條件允許時(shí)在同一剪切面可采用多個(gè)試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，法向荷載可按最大預(yù)估荷載分級(jí)施加，可分5級(jí)進(jìn)行加載。美國法向荷載的加載方式采用變形控制法，即用位移變形速率來控制試驗(yàn)的加載。當(dāng)10 min內(nèi)每個(gè)法向位移測表記錄的數(shù)據(jù)變化小于0.005 mm/min時(shí)，即認(rèn)為固結(jié)完成，可以施加剪切荷載。在剪切過程中，每一級(jí)法向荷載應(yīng)保持不變，這一點(diǎn)中美規(guī)范規(guī)定是相同的，即常正應(yīng)力法。

表1 不同地區(qū)直剪試驗(yàn)的剪切試樣尺寸 cm

剪切荷載的施加方法有平推法和斜推法之分。ASTM[4]和ISRM[22]建議采用α=0°(即平推法)及α=15°(即斜推法)兩種方案。我國對(duì)斜推法的傾角范圍更寬松，即推力傾角宜為12°～20°。我國規(guī)范[16,17]規(guī)定：剪力加載仍采用時(shí)間控制法，每5 min加載一級(jí)，施加前后對(duì)法向和切向位移測表各測讀一次。接近剪斷時(shí)，應(yīng)密切注視和測讀載荷變化情況及相應(yīng)的位移(載荷與位移應(yīng)同步觀測)。剪切載荷按預(yù)估的最大剪切荷載分8～12級(jí)施加，當(dāng)施加的剪切荷載引起的剪切位移明顯增大時(shí)，可適當(dāng)增加剪切荷載分級(jí)。美國采用變形控制法進(jìn)行剪切荷載加載。ASTM[4]和ISRM[22]建議用分級(jí)增量加載法或連續(xù)加載法施加剪力，通過這樣的方式控制剪切位移的速率。在達(dá)到峰值前必須讀取約10組讀數(shù)，這一點(diǎn)與中國水口規(guī)范[17]相似。此外，還要求在讀取一組讀數(shù)前，剪切位移速率必須在10 min內(nèi)小于0.1 mm/min。如果可恰當(dāng)?shù)赜涗浀椒逯祻?qiáng)度，在各組讀數(shù)之間剪切位移速率可以增加，但是不超過0.5 mm/min。

ASTM[4]和ISRM[22]建議在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，為了恰當(dāng)?shù)卮_定剪力位移曲線，必須在剪切位移自0.5～5 mm的增量處讀取讀值。在讀取一組讀數(shù)前10 min內(nèi)，剪切位移速率為0.02～0.2 mm/min，在讀數(shù)之間可增加到不高于1 mm/min。當(dāng)試樣在恒定的法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切時(shí)，很容易確定殘余強(qiáng)度值，即通過至少連續(xù)4個(gè)讀數(shù)，當(dāng)剪切位移變化不小于1 cm，剪切應(yīng)力的變化不大于5%時(shí)，可確定殘余強(qiáng)度。確定一個(gè)殘余強(qiáng)度后，即可增加或減小法向應(yīng)力來得到另外的殘余強(qiáng)度。因?yàn)槲覈?guī)范采用的是時(shí)間控制方法，并不討論剪切速率，因此不存在這樣的約束，但是我國規(guī)范注明了在試塊剪斷后，可以繼續(xù)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，這與美國確定殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)類似。

盡管中美文獻(xiàn)對(duì)荷載施加的方式不同，但是其目的都是相同的，即精確測量試體的抗剪強(qiáng)度。而兩種荷載施加方式也各有優(yōu)缺點(diǎn)。時(shí)間控制法方便操作，易于讀數(shù)，但不易精確測讀抗剪強(qiáng)度特征點(diǎn)，變形控制法則不存在這個(gè)問題，但是變形控制法不易操作，難于控制，因此具體選用何種方法，需要根據(jù)相關(guān)技術(shù)人員的側(cè)重點(diǎn)而定。

1.2 巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)方法對(duì)比

巖體結(jié)構(gòu)面試樣的制備與混凝土/巖體膠結(jié)面試樣的制備相似，但是巖體結(jié)構(gòu)面上試樣制備還需進(jìn)行封裝保護(hù)，我國規(guī)范常對(duì)完整性較差的巖體澆筑鋼筋混凝土作封裝保護(hù)，而美國文獻(xiàn)表明其常用鋼板夾砂漿或混凝土作封裝保護(hù)。

巖體結(jié)構(gòu)面試樣的荷載施加方法對(duì)比與混凝土/巖體膠結(jié)面類似，在此僅對(duì)其中有差別的地方做出說明。美國陸軍工程師團(tuán)報(bào)告[2]指出，對(duì)于剪切荷載采用分級(jí)增量加載時(shí)，如果水平變形很慢，慢到剪切位移速率達(dá)到0.001 in/min(約為0.002 54 cm/min)或0.001 in/3 min(約0.00254 cm/3 min)時(shí)，可以適當(dāng)增加剪切荷載的分級(jí)增量。而國內(nèi)規(guī)范的荷載施加采用的是時(shí)間控制法，因此不存在這樣的問題。

美國陸軍工程師團(tuán)文獻(xiàn)[2]認(rèn)為在巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)中，比荷載施加方法更重要的就是固結(jié)，尤其對(duì)填充結(jié)構(gòu)面更重要。試驗(yàn)的固結(jié)是為了在剪切前，施加上全部法向荷載后，將巖體尤其是巖體填充結(jié)構(gòu)面上的孔隙水壓力全部消散。這時(shí)，試樣的剪切速率應(yīng)該有所限制。對(duì)于“排水”試驗(yàn)[4]，尤其是在填充黏土的結(jié)構(gòu)面上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，達(dá)到峰值的全部時(shí)間應(yīng)超過固結(jié)曲線所測定t100的6倍，固結(jié)曲線如圖2所示，t100是在固結(jié)曲線上做出兩條切線得到的主固結(jié)時(shí)間。如需要，必須降低剪切速率，或者減緩后階段剪力增量的施加，以滿足要求。固結(jié)完成的標(biāo)志是當(dāng)10 min內(nèi)每個(gè)法向位移測表記錄的數(shù)據(jù)變化小于0.005 mm/min時(shí)，即認(rèn)為固結(jié)完成。而我國規(guī)范是以另一種方式來說明固結(jié)的，如前文1.2.2所述，我國規(guī)范[16]規(guī)定，法向位移的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)可視充填物的厚度和性質(zhì)而定，按每10 min或15 min測讀一次，連續(xù)兩次讀數(shù)之差不超過0.05 mm，可視為穩(wěn)定，即可施加剪切荷載。這里提到的“穩(wěn)定”就代表固結(jié)的完成。

圖2 直剪試驗(yàn)固結(jié)曲線的三個(gè)階段，估計(jì)t100值的圖表[20]Fig.2 Consolidation curves for a three-stage direct shear test, showing the construction used to estimate t100

1.3 完整巖體直剪試驗(yàn)方法對(duì)比

完整巖體的直剪試驗(yàn)方法與巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)方法相同。試樣的制備同樣也包括試樣的制作，試樣尺寸描述、試樣封裝等內(nèi)容，荷載施加方法也同樣分為法向荷載施加和剪切荷載施加，詳細(xì)的內(nèi)容可參閱前文。

綜合上文可知，中美關(guān)于巖基抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法基本相同，主要有直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，而目前國內(nèi)外最常用的是直剪試驗(yàn)，但在試樣的制備和試驗(yàn)過程存在若干差異，主要表現(xiàn)在試樣尺度和荷載的施加控制方式上。盡管如此，但是其目的是相同的，都是為了更精確地確定試體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，以便為工程巖體的合理設(shè)計(jì)提供可靠參數(shù)。

2 設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法對(duì)比

巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)成果的整理是針對(duì)剪切變形曲線上某一強(qiáng)度特征點(diǎn)而進(jìn)行的。針對(duì)采用不同的強(qiáng)度特征點(diǎn)，所得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)也不同。ASTM[4]和ISRM[22]認(rèn)為，抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的目的在于測量峰值和殘余抗剪強(qiáng)度，而我國規(guī)范規(guī)定除此之外，還建議測量比例極限點(diǎn)和屈服強(qiáng)度點(diǎn)。幾種強(qiáng)度特征點(diǎn)如圖3典型剪切變形曲線所示。

圖3 巖體典型剪應(yīng)力與變形關(guān)系曲線Fig.3 The typical relationship curve between shear stress and deformation

基于上述ASTM建議的抗剪強(qiáng)度特征點(diǎn)，美國不同文獻(xiàn)對(duì)巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取有不盡相同的規(guī)定。美國陸軍工程師團(tuán)按照估值置信度水平(或可靠程度)的不同，將巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度的選擇方法分為低、高、很高三種，具體選擇方法如表2所示，詳情可參閱文獻(xiàn)[3]?！吨亓卧O(shè)計(jì)》[5]中指出，巖基抗剪強(qiáng)度的選取是基于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)綜合確定。在一般情況下，壩基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度一般是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室直剪試驗(yàn)結(jié)果通過摩爾-庫倫準(zhǔn)則確定，對(duì)于重大的工程還必須參考現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果。文獻(xiàn)[5]還指出，對(duì)于工程初步設(shè)計(jì)階段，抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值可以參考美國墾務(wù)局文獻(xiàn)[8]中所統(tǒng)計(jì)的各類巖體相關(guān)的力學(xué)參數(shù)。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，巖體設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度(c、φ)取值方法

是按τ-σ散點(diǎn)圖的下界限確定，如果考慮尺寸效應(yīng)的影響，在缺乏試驗(yàn)資料的情況下，巖體的內(nèi)摩擦角取為τ～σ散點(diǎn)圖的下界限傾角，并且對(duì)黏聚力進(jìn)行折減，保守估計(jì)一般取黏聚力為下界限強(qiáng)度的50%。無填充結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度取值方法是假定黏聚力c=0，而內(nèi)摩擦角由基礎(chǔ)摩擦角 和起伏角i兩部分組成，但是不能超過天然無填充結(jié)構(gòu)面上剪切試驗(yàn)τ～σ散點(diǎn)圖上界限傾角值，詳情可參閱文獻(xiàn)[6]。而對(duì)于填充結(jié)構(gòu)面，美國陸軍工程師團(tuán)認(rèn)為填充結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度與填充材料的性質(zhì)(位移歷史和應(yīng)力歷史，填充材料厚度等)、結(jié)構(gòu)面的風(fēng)化程度等因素有關(guān)，但是抗剪強(qiáng)度最終都是根據(jù)τ～σ最佳擬合直線確定。

美國墾務(wù)局專著《混凝土拱壩和重力壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[9]指出，破壞面上的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度取值必須考慮破壞面上允許的最大位移，并且不會(huì)造成不允許的應(yīng)力集中。美國墾務(wù)局還認(rèn)為較完整巖石與混凝土之間的抗剪強(qiáng)度一般不是控制面，可以采用混凝土之間的指標(biāo)f′=1.0，c′值為0.1倍混凝土抗壓強(qiáng)度。國際大壩委員會(huì)歐洲俱樂部文獻(xiàn)[7]也指出，混凝土/巖體膠結(jié)面不是主要的破壞面，一般情況下膠結(jié)強(qiáng)度是有效的，而通常的破壞面是沿著軟弱基巖內(nèi)的天然結(jié)構(gòu)面而不是壩基面。

綜合上述不同文獻(xiàn)對(duì)美國關(guān)于巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)的規(guī)定可以確定，美國對(duì)巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值是基于試驗(yàn)散點(diǎn)圖的下界限強(qiáng)度確定。

我國規(guī)范關(guān)于抗剪強(qiáng)度的規(guī)定種類較多，選取方法多因抗剪強(qiáng)度特征點(diǎn)的不同而有所差異，詳見表4所列。盡管各規(guī)范選用設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度不盡相同，但總體來看，巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度都是以材料試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度的小值平均值為基礎(chǔ)的。此外《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T35026-2014)[27]除表3所列外，還對(duì)抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)作了一些補(bǔ)充規(guī)定，即對(duì)于大型工程可行性研究以前各設(shè)計(jì)階段及中型工程的所有設(shè)計(jì)階段可按類似條件工程的試驗(yàn)成果或是表3、表5和表6所列抗剪斷參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行折減，選用抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。這與美國規(guī)范規(guī)定的初步設(shè)計(jì)階段的抗剪強(qiáng)度參數(shù)相同。

表2 不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)選擇方法表Tab.2 The selections methods of design shear strength parameters in different assessed confidence

表3 混凝土/巖體膠結(jié)面和巖體抗剪斷參數(shù)表Tab.3 Determination of shear strength for concrete/rock cemented surface and rock mass

表4 我國不同規(guī)范對(duì)抗剪(斷)強(qiáng)度的規(guī)定Tab.4The rules on shear strength in our different standards

表5 結(jié)構(gòu)面抗剪(斷)強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值表Tab.5 Empirical determination of shear strength for discontinuities

3 中美設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的安全水平對(duì)比分析

在有足夠多試驗(yàn)的情況下(通常9個(gè)或更多試樣)，結(jié)合前文2中的分析可知，美國對(duì)巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值是由試驗(yàn)散點(diǎn)圖的下界限確定；我國規(guī)范規(guī)定的巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度都是以材料試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度的小值平均值為基礎(chǔ)確定的。據(jù)此可以近似對(duì)比中美兩國抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的安全水平高低。

表6 壩基深層結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)表Tab.6 The parameters of shear strength for thediscontinuities in deep rock mass

τ=c+fσ+ε

(2)

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，按美國確定的抗剪強(qiáng)度下界限(粗略看，該抗剪強(qiáng)度下界限是扣掉其下10%的試塊試驗(yàn)結(jié)果后確定的，相應(yīng)于該下界限的抗剪強(qiáng)度大致有80%～90%的保證率)位于小值平均值線t78.7%的下方，因此可以說明，美國對(duì)巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值安全水平略高于中國通常按小值平均取定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)所具有的安全水平。

τ1-抗剪強(qiáng)度下界線；τm-抗剪強(qiáng)度平均線；τv-抗剪強(qiáng)度上界線；τ78.7%-抗剪強(qiáng)度小值平均值線；σn-正應(yīng)力圖4 中美直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖與取值對(duì)比[3]Fig.4 Comparative study on the direct shear experimental results of scatter plots and the selections of shear strength parameters between China and America

4 結(jié) 論

(1)中美關(guān)于巖基抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法基本相同，主要有直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，而目前國內(nèi)外最常用的是直剪試驗(yàn)，但在試樣的制備和試驗(yàn)過程存在若干差異，主要表現(xiàn)在試樣尺度和荷載的施加控制方式上。盡管如此，但是其目的是相同的，都是為了更精確地確定試體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，以便為工程的合理設(shè)計(jì)提供可靠參數(shù)。

(2)在試驗(yàn)資料不足或可行性研究階段和初步設(shè)計(jì)階段，中美兩國關(guān)于設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取方法相同，即主要參考同類型工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

(3)在試驗(yàn)資料充足時(shí)，我國規(guī)范種類繁雜，對(duì)不同類型建筑物的巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法的規(guī)定不盡相同，但大多以現(xiàn)場試驗(yàn)的小值平均值為基礎(chǔ)加以確定的。美國認(rèn)為，巖基設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度的選取是基于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)綜合確定，可由試驗(yàn)散點(diǎn)圖的下界限強(qiáng)度確定，相應(yīng)于該下界限的抗剪強(qiáng)度約有80%～90%的保證率，略高于中國通常按小值平均(78.7%)取定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)所具有的安全水平。

□

[1] Barton N R,Choubey V. The Shear Strength of Rock Joint in Theory and Practice[J]. Rock Mechanics, 1977,10(1-2):1-54.

[2] T W Zeigler. In Situ Test for Determination of Rock Mass Shear Strength[D]. U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station Soil and Pavement Laboratory, 1972,11.

[3] Glenn A. Nicholson. Design of Gravity Dams on Rock Foundations. Sliding Stability Assessment by Limit Equilibrium and Selection of Shear Strength Parameters[R]. Geotechnical Laboratory U.S. Army Engineer Waterways experiment station, 1983,10.

[4] ASTM.D4554-12，Standard Test Method for In Situ Determination of Direct Shear Strength of Rock Discontinuities[S].2012.

[5] US Army Corpsof Engineers. EM 1110-2-2200, Engineering and Design.Gravity Dam DesignEngineer Manual[S].1995.

[6] US Army Corpsof Engineers.EM 1110-1-2908, Engineering and Design.Rock Foundations[S].1994.

[7] ICOLD European Club.Working Group on Sliding Safety of Existing Gravity DamsFinal Report[R].2004.

[8] J. R. Brandon. REC-ERC-74-10[R].United States Department of the Interior Bureau of Reclamation.1974.

[9] United States Department of the Interior Bureau of Reclamation.Design Criteria for Concrete Arch and Gravity Dams[M]. A Water Resources Technical Publication Engineering Monographs,1977.

[10] 蔡耀軍，徐福興.大壩建基巖體抗剪強(qiáng)度取值[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002,21(7)：1 040-1 044.

[11] 楊 超，黃 達(dá).基于Copula理論的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)估值[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013,32(12)：2 464-2 470.

[12] 宋彥輝，巨廣宏.基于原位試驗(yàn)和規(guī)范的巖體抗剪強(qiáng)度與Hoek-Brown 準(zhǔn)則估值比較[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(5)：1 000-1 006.

[13] 曾紀(jì)全，賀如平，王建洪.巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果整理及參數(shù)選取[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(8)：1 403-1 407.

[14] 雍 睿，唐輝明.結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)線性擬合方法適用性研究[J].巖土力學(xué)，2012,33(2)：118-124.

[15] 武 雄，賈志欣.工程巖體抗剪強(qiáng)度的綜合確定方法-GMEM方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(2)：246-251.

[16] DLT 5368-2007，水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S].

[17] SL 264-2001，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S].

[18] GB50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范[S].

[19] 汪小剛，董育堅(jiān).巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)[M].

[20] 美國陸軍工程師團(tuán)工程師手冊(cè). EM1110-1-1804 2001.巖土工程勘察規(guī)范[M]. 許仙娥,等譯. 鄭州：黃河水利出版社，2015.

[21] GB50487-2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[22] 國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法[M].鄭雨天,等譯. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1982.

[23] NB/T35026-2014，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[24] DL/T5346-2006，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[25] GB50199-2013，水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[26] GB50287-2006，水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[27] SL319-2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[28] SL282-2003，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[29] 邰淑彩，孫韞玉，何娟娟.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]. 2版. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.