唐 林，吳道勇，韋 洪，陳 璠

(1.貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)較差，其與結(jié)構(gòu)面間的相互作用大幅度降低了巖體的抗剪強度，影響巖體穩(wěn)定性，是誘發(fā)各種工程地質(zhì)災(zāi)害問題的重要因素之一，含軟弱夾層巖體的穩(wěn)定性問題一直是巖土工程領(lǐng)域研究的重點。據(jù)文獻資料知，國內(nèi)外已發(fā)生數(shù)起因軟弱夾層引起的地質(zhì)災(zāi)害問題，帶來嚴重的損失和災(zāi)難。在2009年，我國重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)紅寶村發(fā)生沿斜傾軟弱夾層整體滑動的特大型巖質(zhì)滑坡災(zāi)害，造成了74人遇難、8人受傷的特大災(zāi)難[1]。2003年，我國千將坪滑坡造成14人遇難，10人失蹤，近千人受災(zāi)，造成直接經(jīng)濟損失高達5 735萬[2]。在國外，軟弱夾層的賦存曾引起美國賓州Austin壩、法國Malpasser壩等壩基破壞[3]。因此，深入開展軟弱夾層對結(jié)構(gòu)面抗剪強度的影響機制試驗研究，可為工程設(shè)計和災(zāi)害防治奠定基礎(chǔ)，對保障人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

軟弱夾層在工程活動中的影響一般體現(xiàn)在地下工程活動中隧道洞室圍巖的垮塌、邊坡的失穩(wěn)滑移破壞以及壩基巖體的失穩(wěn)破壞等，強降雨作用是誘發(fā)含軟弱夾層巖體破壞的重要因素，大批學(xué)者研究了軟弱夾層含水率對巖體強度特性的影響。李鵬等[4]研究了含水率對軟弱結(jié)構(gòu)面剪切蠕變特性的影響認為，隨著含水率的升高，軟弱夾層抗剪強度降低，軟弱結(jié)構(gòu)面剪切蠕變性能被弱化；He等[5]對不同降雨條件下軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)過程進行的模型試驗結(jié)果表明，隨著降雨量的增加，軟弱夾層逐漸軟化，受上部巖體引力場的影響產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動剪切變形；Yang等[6]研究了強降雨條件下軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)和穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，軟弱夾層的抗剪強度由于水的軟化作用而降低，孔隙水壓力的變化是導(dǎo)致軟弱夾層抗剪強度減小的主要動力因素；Sun等[7]分析了含軟弱夾層的降雨型滑坡的變形過程和水力特征表明，飽和狀態(tài)下軟弱夾層強度大大降低，邊坡在降雨作用下極易發(fā)生破壞；Li等[8]進行的傾斜軟弱夾層對層狀巖質(zhì)邊坡降雨響應(yīng)的影響的研究結(jié)果表明，在同一降雨量條件下，含弱夾層的邊坡的位移量是沒有弱夾層邊坡的2.8～6.2倍；Hu等[9]考慮地下水和軟弱夾層的影響，采用模型試驗和數(shù)值分析對圍巖破壞模式進行的研究認為，水在夾層中加速滑移和裂縫的發(fā)展誘發(fā)圍巖破壞。此外，也有學(xué)者研究非飽和土對峰值強度的影響[10]。Hamid等[11]通過直剪試驗對非飽和土界面抗剪強度進行了研究。然而，軟弱夾層在巖體中的力學(xué)行為實質(zhì)上主要表現(xiàn)在土與結(jié)構(gòu)面在力作用下發(fā)生的變形破壞行為，室內(nèi)研究一般采用物理模型試驗揭示軟弱夾層結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能。Chen等[12]、Kwak等[13]研究了土-混凝土界面剪切性能；Hossain等[14]研究了壓力注漿水泥土界面的剪切特性；Indraratna等[15]研究了壓實填料對巖石節(jié)理抗剪強度的影響。也有學(xué)者通過對土-巖石界面的剪切特性研究認為，土-巖石界面剪切特性受界面形態(tài)影響[16]；Hu等[17]對土-結(jié)構(gòu)界面剪切破壞模式進行的研究認為，界面剪切過程中存在2種不同的破壞模式。

以上學(xué)者的研究側(cè)重于降雨條件或夾層土與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)行為，然而綜合考慮軟弱夾層含水率與巖石天然結(jié)構(gòu)面相互作用對巖體強度影響的研究卻較少。為更好地評價不同含水率軟弱夾層對巖石天然結(jié)構(gòu)面抗剪強度的影響，本文取工程場地含軟弱夾層的天然巖體制備試驗巖樣，在不同含水率條件下進行直剪試驗，研究不同含水率的軟弱夾層與巖石接觸面的抗剪強度特性，為相關(guān)工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗采用便攜式巖石直剪儀，其上下剪切盒尺寸均為15 cm×15 cm×7.5cm(長×寬×高)。水平和豎直壓力傳感器精度均為0.01 kN，水平位移傳感器精度為0.01 mm。試驗過程中采用YY- 8巖土力學(xué)試驗數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為10 ms。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置

1.2 試樣制備

試驗所使用的巖石取自貴陽花溪夢溪路保利西湖附近邊坡，巖性為三疊系中統(tǒng)花溪組(T2h1)泥質(zhì)白云巖。將現(xiàn)場取回的巖石樣品保留1個天然結(jié)構(gòu)面，制成尺寸約為長×寬×高=14.8 cm×14.8 cm×7.0 cm的立方體巖樣。夾層充填材料為紅黏土，天然密度為1.88 g/cm3，塑限wP=19.3%，液限wL=55.1%。將原狀紅黏土試樣烘干過2 mm篩后重新配制成含水率w分別為20%、30%、35%和40%的土樣充填至2塊巖樣天然結(jié)構(gòu)面之間，模擬軟弱夾層對巖體強度的影響。試驗過程中，保證每次試驗軟弱夾層具有相同的充填厚度(平均厚度為10 mm)，以減小厚度差異對試驗結(jié)果的影響。試驗巖體見圖2。

圖2 試驗巖體

1.3 試驗設(shè)計

每種含水率分別在4個正應(yīng)力水平(100、200、300 kPa和400 kPa)下開展試驗，且剪切過程中控制正應(yīng)力恒定直至試驗終止。試樣安裝完成后，根據(jù)試驗所需的正應(yīng)力大小，施加豎向正應(yīng)力使充填土體充分固結(jié)。最后，通過液壓泵均勻施加橫向力進行剪切，采用YY- 8巖土力學(xué)試驗數(shù)據(jù)采集儀記錄試驗過程中的剪切位移和剪切應(yīng)力。當(dāng)剪切應(yīng)力-剪切位移曲線突然掉落且持續(xù)衰減或剪切位移達到20 mm時，認為試樣已破壞，即可終止試驗。

2 試驗結(jié)果分析

不同正應(yīng)力水平下試樣剪切位移與剪切應(yīng)力關(guān)系見圖3。從圖3可知，在相同含水率下，剪切應(yīng)力均隨正應(yīng)力的增加而增大，且同種含水率剪切位移-剪切應(yīng)力曲線變化趨勢基本一致。各含水率下的位移應(yīng)力曲線可分為2個階段，第I階段，剪切應(yīng)力隨剪切位移的增大幾乎呈線性關(guān)系迅速增大；第II階段，隨著剪切位移的增加，剪切應(yīng)力總體變化趨勢幾乎不變或僅有少量的增加，處于相對穩(wěn)定階段，試驗后期應(yīng)力曲線出現(xiàn)少許掉落衰減。曲線主要表現(xiàn)為無峰型，軟弱夾層的峰值剪切應(yīng)力即為殘余強度。分析可知，含軟弱夾層巖體的抗剪強度與含水率和正應(yīng)力水平有關(guān)。

圖3 試樣剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

為了進一步研究軟弱夾層含水率對巖體抗剪強度的影響，提取不同試驗條件下的峰值抗剪強度，繪制峰值抗剪強度隨含水率變化的關(guān)系，見圖4。從圖4可以看出，軟弱夾層含水率相同時，在相對較高的正應(yīng)力水平下，軟弱夾層的強度能得到充分發(fā)揮，從而使得峰值抗剪強度隨著正應(yīng)力的增加而增大；相同正應(yīng)力水平下，軟弱夾層峰值抗剪強度主要受含水率控制，隨著含水率的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

圖4 不同正應(yīng)力水平下峰值抗剪強度隨含水率的變化

3 含水率對含軟弱夾層巖體抗剪強度的影響機制

3.1 含軟弱夾層巖體剪切過程概化

不同含水率軟弱夾層的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線概化為2個剪切階段(見圖5)。在第Ⅰ階段，剪切應(yīng)力在較小的剪切位移條件下迅速從原點A增大到B點，應(yīng)力曲線表現(xiàn)為剪切硬化型；隨著剪切位移的持續(xù)增加，第Ⅱ階段軟弱夾層顯現(xiàn)為塑性流動的特征，剪切應(yīng)力幾乎不變或僅有少量增加；試驗后期剪切應(yīng)力增加到峰值C點后偶有掉落或逐漸衰減的現(xiàn)象。

圖5 軟弱夾層剪切位移-應(yīng)力關(guān)系

=為進一步研究軟弱夾層含水率對巖體抗剪強度的影響，提取不同含水率在不同正應(yīng)力水平下B點和C點對應(yīng)的剪切位移和剪切應(yīng)力值，見表1。由B、C點線性擬合獲得的各含水率下斜率KBC隨含水率的變化關(guān)系見圖6。從圖6可知，在相同正應(yīng)力水平下，斜率KBC總體趨勢上隨含水率的增加而增大，相同含水率下斜率KBC隨正應(yīng)力的增加而增大。這說明相同正應(yīng)力水平下含水率的增加以及相同含水率下正應(yīng)力水平的增加，均對剪切應(yīng)力的增長速率具有促進作用，使得含軟弱夾層巖體的剪切應(yīng)力迅速增加達到其峰值抗剪強度，導(dǎo)致巖體剪切破壞，這就是在含軟弱夾層巖體的斜坡中，當(dāng)遇強降雨天氣時容易發(fā)生失穩(wěn)破壞導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的原因。但含水率和正應(yīng)力水平促進抗剪強度增長速率的內(nèi)在機制尚需進一步研究。

表1 各含水率在不同正應(yīng)力下B點和C點的位移及剪切應(yīng)力

圖6 不同正應(yīng)力下斜率KBC隨含水率的變化關(guān)系

3.2 軟弱夾層含水率對巖體剪切破壞的影響機制

試驗發(fā)現(xiàn)，含軟弱夾層的巖體在剪切試驗過程中主要存在2種剪切破壞模式：一種是在低含水率(20%)條件下，巖體剪切破壞滑移面發(fā)生在軟弱夾層土內(nèi)部的土-土剪切破壞；另一種是在高含水率(40%)條件下，巖體剪切破壞滑移面主要為沿結(jié)構(gòu)面破壞滑移的土-結(jié)構(gòu)面破壞。剪切破壞模式見圖7。圖7中，N為正應(yīng)力；T為剪應(yīng)力。出現(xiàn)這2種破壞模式的原因主要是由于巖石結(jié)構(gòu)面有一定的粗糙度，在低含水率條件下，軟弱夾層土與結(jié)構(gòu)面的咬合緊密，當(dāng)施加橫向剪力時，沿夾層土內(nèi)部剪切破壞滑移；然而在高含水率條件下，夾層土與結(jié)構(gòu)面的咬合狀態(tài)差，咬合力較小，且水分在軟弱夾層與結(jié)構(gòu)面之間的液膜形成良好的潤滑效果，故施加橫向力剪切時更容易導(dǎo)致沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞滑移。這種現(xiàn)象揭示了含軟弱夾層巖體因強降雨發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，其破壞模式主要是沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑動破壞，同時也是不同含水率下峰值強度差異變化的原因。

圖7 剪切破壞模式

軟弱夾層含水率對巖體抗剪強度的影響可采用M-C強度準則和有效應(yīng)力原理進行解釋。巖體抗剪強度受正應(yīng)力、孔隙水壓力和強度參數(shù)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響。低含水率條件下軟弱夾層處于非飽和狀態(tài)，試驗過程中將產(chǎn)生負孔隙水壓力，有利于巖體穩(wěn)定；然而高含水率條件下軟弱夾層趨于飽和狀態(tài)，隨著剪切試驗的進行，軟弱夾層與結(jié)構(gòu)面之間將產(chǎn)生正的超孔隙水壓力，超孔隙水壓力的出現(xiàn)導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，從而削弱了巖體的抗剪強度，且含水率越高，超孔隙水壓力作用現(xiàn)象越明顯，對巖體強度削弱越強烈，從而解釋了高含水率條件下含軟弱夾層巖體的峰值抗剪強度迅速降低的現(xiàn)象。此外，含軟弱夾層巖體的抗剪強度與軟弱夾層性質(zhì)和上下巖塊的接觸咬合狀態(tài)有關(guān)。剪切應(yīng)力主要依賴軟弱夾層的抗剪強度，受控于軟弱夾層的含水率，較高的正應(yīng)力能使軟弱夾層的強度充分發(fā)揮，導(dǎo)致剪切應(yīng)力峰值隨正應(yīng)力的增加不斷增大；而低正應(yīng)力條件對軟弱夾層的約束作用有限，低正應(yīng)力作用下，上下巖石結(jié)構(gòu)面與夾層土的相互接觸咬合狀態(tài)較差，這種接觸狀態(tài)下能夠提供的抗剪強度相對較小。但在相同正應(yīng)力條件下，隨夾層土含水率的增加，峰值剪切應(yīng)力均逐漸減小。公式為

τ=(σn-u)tanφ+c

(1)

式中，τ、σn和u分別為巖體抗剪強度、正應(yīng)力和孔隙水壓力。

根據(jù)M-C強度準則，巖體抗剪強度由內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ及正應(yīng)力σn相互作用下共同決定，擬合結(jié)果見圖8，從圖8可知，相同含水率狀態(tài)下，峰值抗剪強度與正應(yīng)力呈正相關(guān)；相同正應(yīng)力條件下，峰值抗剪強度與含水率呈負相關(guān)。圖9為強度參數(shù)隨軟弱夾層含水率的變化過程。從圖9可以看出，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的增大總體呈現(xiàn)逐漸減小，表明峰值抗剪強度隨含水率增大而減小的現(xiàn)象主要是通過內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角實現(xiàn)，解釋了圖8中峰值抗剪強度的變化原因。

圖8 正應(yīng)力與峰值抗剪強度的關(guān)系

圖9 抗剪強度參數(shù)與含水率的關(guān)系

進一步研究發(fā)現(xiàn)，抗剪強度參數(shù)PSS(Parameters of shear strength)隨著含水率ω的變化關(guān)系可用二次函數(shù)進行擬合，即

PSS=Aw2+Bw+PSS0

(2)

式中，A為二次項系數(shù)；B為一次項系數(shù)；PSS0為常數(shù)項。在抗剪強度參數(shù)受內(nèi)聚力控制隨含水率變化過程中，取PSS0=28 932，A=-8.34，B=0.06。在抗剪強度參數(shù)受內(nèi)摩擦角控制隨含水率變化過程中，取PSS0=344，A=1.36，B=-0.03。

在常規(guī)工頻電源供電時，電機產(chǎn)生軸電壓主要的原因是磁路不對稱。導(dǎo)致磁路不對稱的原因有很多，常見的有定轉(zhuǎn)子鐵心沖片的拼縫、沖片的開孔(如軸向通風(fēng)孔、拉緊螺桿孔等)、沖片的定位槽以及轉(zhuǎn)子偏心等。其本質(zhì)是磁通閉合回路中的磁阻不對稱，導(dǎo)致在鐵心中出現(xiàn)了畸變的“環(huán)形磁通”，進而產(chǎn)生了軸電壓。以下就以一臺8極異步電機為例，詳細說明其軸電壓產(chǎn)生的原因。

將式(2)代入式(1)，獲得抗剪強度τ與軟弱夾層含水率w的關(guān)系，即

τ=(σn-u)tan(φAw2+φBw+φ0)+cAw2+cBw+c0

(3)

式中，φA、φB、φ0分別為內(nèi)摩擦角擬合函數(shù)關(guān)系式中的二次項系數(shù)、一次項系數(shù)和常數(shù)項；cA、cB、c0分別為內(nèi)聚力擬合函數(shù)關(guān)系式中的二次項系數(shù)、一次項系數(shù)和常數(shù)項。

由式(3)可以直接預(yù)測軟弱夾層含水率對抗剪強度的影響，結(jié)果見圖10。分析可知，峰值抗剪強度隨含水率的變化主要通過內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角共同作用實現(xiàn)。在試驗范圍內(nèi)，峰值抗剪強度與含水率呈負相關(guān)，變化趨勢總體上隨含水率的增加而減小，正應(yīng)力越高且含水率越大時峰值抗剪強度衰減越快。但由于內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化關(guān)系可分別采用開口向上和開口向下的二次函數(shù)進行擬合，存在最佳含水率wopt，當(dāng)含水率wwopt時，含水率越大抗剪強度降低速率越快。正應(yīng)力為200 kPa和400 kPa時，隨著含水率的增加，抗剪強度首先微弱增大，然后迅速減小，最佳含水率wopt為12%左右。這種變化趨勢與含水率對內(nèi)摩擦角的影響有關(guān)，表明高正應(yīng)力條件下，軟弱夾層內(nèi)摩擦角變化對巖體強度具有控制作用。

圖10 含水率對峰值強度的影響

4 結(jié) 語

本文通過室內(nèi)直剪試驗，研究了軟弱夾層含水率對巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度的影響機制，得出以下結(jié)論：

(1)含水率和正應(yīng)力水平對峰值抗剪強度有重要影響。相同含水率下，剪切應(yīng)力隨正應(yīng)力的增加而增大，相同正應(yīng)力水平下，峰值抗剪強度隨含水率的增加而減小。

(3)采用M-C強度準則和有效應(yīng)力原理能夠很好地解釋應(yīng)力水平和軟弱夾層含水率對巖體抗剪強度的影響。低含水率條件下軟弱夾層中產(chǎn)生負孔隙水壓力，有利于巖體穩(wěn)定；高含水率、高正應(yīng)力條件下軟弱夾層內(nèi)形成超孔隙水壓力，有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致部分軟弱夾層物質(zhì)被擠出，巖體抗剪強度迅速降低。

(4)巖體抗剪強度通過內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角實現(xiàn)，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化關(guān)系可分別采用開口向上和開口向下的二次函數(shù)進行擬合，最終預(yù)測了含水率對抗剪強度的影響。預(yù)測結(jié)果顯示，低含水率高正應(yīng)力狀態(tài)下(400 kPa)存在最佳含水率(12%左右)，低于最佳含水率，適當(dāng)增大含水率有利于巖體穩(wěn)定；但高于最佳含水率，含水率越大抗剪強度降低速率越快。揭示了高正應(yīng)力條件下內(nèi)摩擦角對巖體抗剪強度的控制作用。