寸春發(fā) 趙永順 郇久陽 邱子娟 何明明

（1.云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司，云南昆明 650000；2.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西西安 710048）

0 引言

天然巖體中通常分布有縱橫交錯(cuò)的節(jié)理裂隙，這使得其宏觀力學(xué)指標(biāo)較完整巖石有較大差異[1-2]。板巖具有顯著的板狀構(gòu)造，其力學(xué)性質(zhì)具有天然的各向異性[3]。在長期風(fēng)化、水流侵蝕作用下，不同地質(zhì)環(huán)境下的板巖出現(xiàn)了不同程度的風(fēng)化現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為微、中、強(qiáng)和全風(fēng)化狀態(tài)，因此實(shí)際工程中板巖的工程特性非常復(fù)雜。通常情況下，巖石風(fēng)化程度越高，其工程性質(zhì)越差。現(xiàn)有研究中，已有學(xué)者針對(duì)板巖的力學(xué)性質(zhì)作了許多有益的研究。

李二強(qiáng)等[4]基于室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行了不同層理傾角炭質(zhì)板巖的巴西劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)板巖的抗拉強(qiáng)度和破壞形態(tài)與層理角度有很大關(guān)系。宋勇軍等[5]基于室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)對(duì)干燥和保水狀態(tài)下炭質(zhì)板巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，討論了水對(duì)炭質(zhì)板巖強(qiáng)度和變形特征的影響規(guī)律。冒海軍等[6]基于單弱面理論研究了板巖巖體抗壓強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)面方位的變化情況，并討論了結(jié)構(gòu)面方位對(duì)板巖破壞模式的影響。江宗斌等[7]對(duì)腐蝕環(huán)境下含貫通裂隙板巖的滲透特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同化學(xué)溶液對(duì)裂隙寬度有截然不同的影響。左清軍等[8]通過三軸壓縮蠕變試驗(yàn)分析了富水泥質(zhì)板巖的蠕變力學(xué)特性，并提出了考慮吸水率的黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型。陶志剛等[9]基于現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)對(duì)公路隧洞炭質(zhì)板巖的蠕變變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了不同含水率下炭質(zhì)板巖的蠕變規(guī)律方程。

可以看出，現(xiàn)有研究已經(jīng)對(duì)炭質(zhì)板巖的力學(xué)性質(zhì)有了一些闡述，主要關(guān)注于裂隙面分布形式、滲流以及含水狀態(tài)對(duì)板巖強(qiáng)度和變形特性的影響。這些研究大多基于室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)或者理論模型，并且針對(duì)的板巖以微風(fēng)化或全風(fēng)化類型為主，缺少對(duì)中等風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖力學(xué)性質(zhì)的研究，因此很難全面揭示實(shí)際工程中不同風(fēng)化程度板巖的真實(shí)力學(xué)行為。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，本研究以云南玉溪某新建大型項(xiàng)目為依托，借助多項(xiàng)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)中等風(fēng)化炭質(zhì)板巖和強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖的基本物理力學(xué)指標(biāo)、力學(xué)行為以及工程特性進(jìn)行了較為全面的研究。本次研究著重討論了含水率從天然狀態(tài)提升至飽和狀態(tài)后炭質(zhì)板巖力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，并很好地揭示了炭質(zhì)板巖力學(xué)指標(biāo)的離散性，研究成果可以為本區(qū)域后續(xù)類似工程的勘察設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)提供重要的參考價(jià)值。

1 工程背景及地質(zhì)概況

某新建鋼鐵廠區(qū)項(xiàng)目地處云南省玉溪市大開門區(qū)域，該地區(qū)位于云南省中部偏西南，地處哀牢山中段東麓，北緯23°38′15″-24°26′05″、東經(jīng)101°16′30″-102°16′50″，屬于多構(gòu)造復(fù)合體系交織的部位。整個(gè)區(qū)域受自北西向的構(gòu)造控制，主要構(gòu)造為北東側(cè)的楚雄-化念斷裂（F69）、化念-石屏斷裂（F70）和曲江斷裂（F65），南西側(cè)的哀牢山山前斷裂（F23）和水塘-元江斷裂（F27）。廠區(qū)處于斷裂帶之外，與斷裂帶的距離為5.5～53 km。

該場地基底地層主要為中元古界黑頭山組（Pt2hs）炭質(zhì)板巖，巖層薄厚不均勻，且揉皺現(xiàn)象明顯（見圖1）。從圖1中可以看出，該場地表面巖體裂隙極其發(fā)育，理面多成“X”形、“米”形組合狀態(tài)，完整性很差，部分節(jié)理面中存在不同程度的填充物。

圖1 地基板巖出露現(xiàn)場照片

經(jīng)過實(shí)地勘查后發(fā)現(xiàn)，該場地深部炭質(zhì)板巖包括中等風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化兩類，均屬于板狀構(gòu)造。其中，中等風(fēng)化板巖呈灰黑色，節(jié)理裂隙發(fā)育一般。其巖芯呈碎塊狀和短柱狀，局部炭化嚴(yán)重，采取率約70%，RQD約15%。而強(qiáng)風(fēng)化板巖多呈黃褐色，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，裂隙間大多填充灰色黏土，巖芯呈土狀、角礫狀和碎塊狀，采取率約50%，RQD均小于2%?，F(xiàn)場調(diào)查與監(jiān)測結(jié)果表明，在水的浸泡軟化、外荷載及挖方卸荷等作用下，在建場地局部地基出現(xiàn)了不均勻沉降，多處邊坡體出現(xiàn)滑移破壞等不良作用，對(duì)工程建設(shè)的安全造成了很大威脅。

2 中等風(fēng)化炭質(zhì)板巖力學(xué)特性

2.1 巖樣制備及試驗(yàn)方案

本節(jié)研究對(duì)象為中等風(fēng)化炭質(zhì)板巖，在工程現(xiàn)場不同位置分別進(jìn)行鉆孔取芯，埋深為30～50 m，巖芯采取率為68%～90%，如圖2(a)所示。挑選無可見裂隙、尺寸較長的巖芯在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行切割和打磨，并保證巖樣端部的平整度滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。由于完整巖心尺寸參差不齊，最終制成的圓柱型試樣的高度為80～120 mm，直徑大約為50 mm，與規(guī)范中所述標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸非常接近，部分試樣見圖2(b)。

圖2 炭質(zhì)板巖試樣制作過程

為清晰掌握炭質(zhì)板巖的力學(xué)特性，分別從天然和飽和這兩個(gè)含水狀態(tài)對(duì)炭質(zhì)板巖試樣的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行討論。本研究所需天然試樣的取樣、制作過程均采取專門的密封、保濕和保溫措施，所需飽和試樣采用水浸結(jié)合真空抽氣法得到。本次研究中，炭質(zhì)板巖試樣共22組，每組6個(gè)，其中天然和飽和試樣的數(shù)量均為3個(gè)。試樣制備期間，對(duì)炭質(zhì)板巖試樣的基本力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)測定和記錄。隨后，依次對(duì)這些試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

本次室內(nèi)物理試驗(yàn)所采用的設(shè)備為YAW-2000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（見圖3）。該儀器具有精度高、可靠性強(qiáng)以及穩(wěn)定性佳等優(yōu)點(diǎn)，最大軸向力為2000 kN，試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差 ≤ ±1%。本次試驗(yàn)采用位移加載方式控制，加載速度設(shè)定為0.5 mm/s，共進(jìn)行132次試驗(yàn)。

圖3 YAW-2000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 基本物理指標(biāo)

基于試樣制作期間記錄的數(shù)據(jù)，整理了22組炭質(zhì)板巖試樣的基本物理指標(biāo)數(shù)值，包括比重、密度、吸水率和孔隙率（見表1）?？梢钥闯?，不同炭質(zhì)板巖試樣基本物理指標(biāo)數(shù)值的差異較小，說明本次所取炭質(zhì)板巖試樣的常規(guī)物理性質(zhì)非常接近。天然試樣浸水后密度均有所增加，說明天然試樣均處于非飽和狀態(tài)，并且含水率非常接近。

表1 炭質(zhì)板巖基本物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到不同組炭質(zhì)板巖試樣在天然和飽和兩種狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由于本次試驗(yàn)所用試樣的尺寸并不統(tǒng)一，因此非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)值均按規(guī)范要求進(jìn)行尺寸修正，最終結(jié)果整理見表2所示。其中，單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)值為每組試樣的平均值，軟化系數(shù)為飽和試樣單軸抗壓強(qiáng)度與天然抗壓強(qiáng)度的比值。

表2 炭質(zhì)板巖單軸抗壓強(qiáng)度 MPa

從表中數(shù)據(jù)可知，天然試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為8.10～11.06 MPa，平均9.61 MPa；飽和試樣單軸抗壓強(qiáng)度為4.58～6.80 MPa，平均5.39 MPa。另外，不同組試樣的軟化系數(shù)為0.47～0.67，平均0.56。上述結(jié)果表明，隨著試樣內(nèi)部含水率由天然狀態(tài)增加至飽和狀態(tài)，炭質(zhì)板巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了急劇下降，并且?guī)r體自身軟化程度各有不同。

圖4給出了不同組炭質(zhì)板巖試樣在兩種含水狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度分布圖。結(jié)合表3和圖4可以看出，不同組炭質(zhì)板巖試樣在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度均各不相同，表現(xiàn)出一定的離散性。經(jīng)過簡單計(jì)算可知，天然試樣單軸抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.96 MPa，而飽和試樣單軸抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.49 MPa。這說明，隨著炭質(zhì)板巖試樣含水率的增加，其單軸抗壓強(qiáng)度的離散性在逐漸降低。結(jié)合2.2.1節(jié)可知，本次研究中所用炭質(zhì)板巖試樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)是非常接近的，因此其抗壓強(qiáng)度的離散性必然來源于試樣內(nèi)部的微裂紋分布狀態(tài)的差異。

圖4 炭質(zhì)板巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度分布圖

表3 強(qiáng)風(fēng)化板巖顆粒分析結(jié)果匯總

現(xiàn)有研究[3-4]表明，巖體的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性，這一規(guī)律通過本節(jié)不同組炭質(zhì)板巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度分布規(guī)律可以很好地體現(xiàn)。一方面，本文研究所依據(jù)的基巖構(gòu)造非常復(fù)雜；另一方面，本次物理試驗(yàn)所用試樣原本分布于場地多個(gè)位置。這兩個(gè)主要因素使得炭質(zhì)板巖試樣內(nèi)部微裂紋的組合狀態(tài)完全不同，最終導(dǎo)致不同試樣的單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大差異。另外含水率的增加并不會(huì)改變試樣內(nèi)部微裂紋的組合狀態(tài)，但會(huì)影響完整巖塊以及微裂紋表面上的強(qiáng)度指標(biāo)。

2.2.3 破壞模式分析

為分析炭質(zhì)板巖的破壞機(jī)理，圖5給出了部分試樣經(jīng)過單軸壓縮試驗(yàn)后的破壞圖，試樣編號(hào)為y-1、y-5、y-9、y-13、y-17和y-21，均為天然含水率條件。

圖5 炭質(zhì)板巖試樣破壞后照片

從圖中可以看出，試樣經(jīng)歷壓縮過程后均破碎為若干巖塊，這些巖塊以片狀居多，顆粒狀的較小。其中，片狀巖塊表面呈較新鮮狀態(tài)，部分巖塊新露出的表面上存在少許泥漬，并且相鄰巖塊間基本保持吻合狀態(tài)。由于本次單軸壓縮試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，不存在試驗(yàn)完成后將泥漬濺到試樣上的可能，因此可以推斷節(jié)理面上存在的泥漬痕跡為其自身攜帶的。這說明，這些表面存在泥漬的節(jié)理面在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)前就已經(jīng)存在，但通過肉眼卻很難分辨。

由于地基中水的滲流作用，部分水和微小粒徑土顆粒進(jìn)入到了巖體的微節(jié)理中，殘留了部分土顆粒，形成了泥漬痕跡。由于重力作用以及節(jié)理面形態(tài)和位置的影響，節(jié)理面上泥漬痕跡的數(shù)量和分布各不相同。另外，部分巖塊新露出的節(jié)理面上幾乎沒有泥漬痕跡，這說明這些節(jié)理面有很大概率是新產(chǎn)生的。

試樣破壞后，大多數(shù)新露出節(jié)理面的整體傾斜方向與單軸壓縮方向的夾角較小，大致為0°～45°，與圖1中所示地基出露現(xiàn)場圖中所示規(guī)律基本一致?？碧竭^程中，取巖芯的鉆孔是垂直于水平地面的，因此可知該工程局部基巖出現(xiàn)了較為明顯的褶皺現(xiàn)象。在單軸壓縮應(yīng)力作用下，炭質(zhì)板巖試樣大多表現(xiàn)為壓剪破壞，新產(chǎn)生節(jié)理面的位置與試樣內(nèi)部微裂紋的分布特征有很大關(guān)系?，F(xiàn)有研究表明，巖體內(nèi)節(jié)理面的傾角以及其表面粗糙度對(duì)其宏觀力學(xué)性質(zhì)有重要影響[3-4]，而本文2.2.2節(jié)中試樣單軸抗壓強(qiáng)度的離散性能很好地驗(yàn)證這一機(jī)制。

3 強(qiáng)風(fēng)化板巖物理力學(xué)特性

該工程場地中強(qiáng)風(fēng)化板巖的揭露層為0.50～19.20 m，節(jié)理面非常發(fā)育，且內(nèi)部大多含有軟弱夾層。本次研究分別基于室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)以及原位剪切試驗(yàn)對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行分析。

3.1 室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)

采用鉆孔取芯的方式獲取強(qiáng)風(fēng)化板巖的樣本，典型鉆孔結(jié)果如圖6所示，其中圖6(a)和圖6(b)分別為不同鉆孔的勘探結(jié)果?？梢钥闯?，強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖質(zhì)地極其松散，巖芯經(jīng)機(jī)械破碎后呈現(xiàn)為土狀、角礫狀以及碎塊狀。將一部分強(qiáng)風(fēng)化板巖樣本（共8個(gè)）按規(guī)范要求帶回室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，并進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

圖6 強(qiáng)風(fēng)化板巖鉆孔結(jié)果照片

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，不同鉆孔所取樣本的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果有很大差異。為了方便后續(xù)描述，現(xiàn)將粒徑在0.075～2 mm的土顆粒統(tǒng)稱為粗中細(xì)砂，將粒徑在0.075 mm以下的土顆粒統(tǒng)稱為粉黏土。

分析發(fā)現(xiàn)，碎塊石含量的差異最明顯，最大相差29.8%；角礫石和粉黏土含量的差異有所下降，最大相差分別為27.8%和13.2%；粗中細(xì)砂含量的差異最小，最大相差為7.3%。可知，強(qiáng)風(fēng)化板巖中不同粒徑土顆粒的比例有很強(qiáng)的離散性，尤其表現(xiàn)在較大粒徑的碎塊石和角礫石上。

根據(jù)表3中強(qiáng)風(fēng)化板巖在不同粒徑范圍下土顆粒的比例數(shù)據(jù)，圖7給出了不同樣本對(duì)應(yīng)的顆粒級(jí)配曲線以及平均級(jí)配曲線?？梢钥闯?，不同強(qiáng)風(fēng)化板巖樣本的級(jí)配曲線形態(tài)有一定差異，但整體規(guī)律基本相似。從平均級(jí)配曲線來看，碎塊石的平均占比最大，為32.8%；角礫石的平均占比略小，為31.4%；粉黏土的平均占比為28.7%；粗中細(xì)砂的平均占比最小，僅為7.2%。因此可知，強(qiáng)風(fēng)化板巖內(nèi)部顆粒近似呈現(xiàn)兩極分化的狀態(tài)，其中較大粒徑土顆粒的比例比粉黏土略大。

圖7 強(qiáng)風(fēng)化巖石顆粒級(jí)配曲線

從顆粒級(jí)配曲線形態(tài)上來看，粗中細(xì)砂對(duì)應(yīng)段曲線局部表現(xiàn)為近似水平狀態(tài)，這說明該粒徑范圍土顆粒在強(qiáng)風(fēng)化板巖內(nèi)部是缺失的。綜上可知，巖石土顆粒的整體均勻性很差。

圖8給出了該工程局部強(qiáng)風(fēng)化板巖出露面的現(xiàn)場圖。結(jié)合該工程地質(zhì)勘探資料可知，較大粒徑的碎塊石和角礫石均屬節(jié)理面壁巖石。強(qiáng)風(fēng)化板巖內(nèi)部節(jié)理面錯(cuò)綜復(fù)雜，無數(shù)節(jié)理面將巖體切割為不同大小的巖塊。由于長期風(fēng)化和滲流作用，這些節(jié)理面間以軟弱夾層居多，而砂粒較少。可以看出，巖體中不同位置巖塊和軟弱夾層的分布具有隨機(jī)性，而節(jié)理面間軟弱夾層厚度以及其分布特征是強(qiáng)風(fēng)化顆粒分析結(jié)果出現(xiàn)強(qiáng)離散性的重要原因。由于鉆孔取樣的緣故，較大尺寸的巖塊被鉆壁切割，因此實(shí)驗(yàn)室條件下最大巖塊的尺寸被限制在了50 mm以下。綜上可以證實(shí)，本次顆粒分析結(jié)果與工程現(xiàn)場的實(shí)際情況完全一致。

圖8 強(qiáng)風(fēng)化板巖出露面現(xiàn)場圖

3.2 原位剪切試驗(yàn)

從3.1中室內(nèi)顆分實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果可以看出，強(qiáng)風(fēng)化板巖的構(gòu)成已經(jīng)接近土體。如果將強(qiáng)風(fēng)化板巖樣本帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，其內(nèi)部天然結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大變化，最終測得力學(xué)指標(biāo)的準(zhǔn)確性會(huì)大打折扣。因此，為了真實(shí)反映其力學(xué)特性，在工程現(xiàn)場對(duì)強(qiáng)風(fēng)化板巖依次進(jìn)行了3組天然狀態(tài)和3組浸水狀態(tài)下的固結(jié)快剪試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)方案和流程

本次試驗(yàn)方案依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)[10]及《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)[11]中的有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)定。每組試驗(yàn)的數(shù)量為5個(gè)，分別對(duì)應(yīng)5種不同法向應(yīng)力條件。本次試驗(yàn)中，設(shè)定作用在試樣上的法向應(yīng)力分別為75 kPa、155 kPa、235 kPa、315 kPa和395 kPa，通過鋼結(jié)構(gòu)梁堆重平臺(tái)間接施加。本次原位試驗(yàn)所采用的剪切盒尺寸為55 cm×55 cm，高度為30 cm。另外，采用千斤頂施加剪切力，并采用壓力表記錄剪切力數(shù)據(jù)。強(qiáng)風(fēng)化板巖原位剪切試驗(yàn)2號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)的現(xiàn)場布置如圖9所示。

圖9 強(qiáng)風(fēng)化板巖原位剪切試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖

本次原位剪切試驗(yàn)的實(shí)施點(diǎn)共有3處，每處場地首先在地下0.5 m深度處依次進(jìn)行天然狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化板巖在不同法向應(yīng)力下的固結(jié)快剪試驗(yàn)，之后在原位置的0.7 m深度處進(jìn)行浸水狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化板巖的固結(jié)快剪試驗(yàn)。其中，實(shí)施不同法向應(yīng)力的試樣彼此相鄰一定水平距離。實(shí)施不同含水率下強(qiáng)風(fēng)化板巖原位試驗(yàn)的位置非常接近，這樣可以將巖體各向異性的影響降到最低，因此試驗(yàn)結(jié)果也更有說服力。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖10給出了1號(hào)原位剪切試驗(yàn)（編號(hào)DJ-1-A）在不同法向應(yīng)力下的剪切應(yīng)力剪切位移曲線以作代表性說明，試樣為天然含水率狀態(tài)，剪切位移大約為50 mm。從圖中可以看出，剪切應(yīng)力剪切位移曲線大致呈兩個(gè)階段，主要以剪切應(yīng)力峰值點(diǎn)區(qū)分。峰前階段，隨剪切位移的增加，剪切應(yīng)力快速增加，隨后增長速率逐漸減緩，直至達(dá)到峰值點(diǎn)。法向應(yīng)力越大，峰前階段剪切應(yīng)力的整體增長速率越大。峰后階段，隨著剪切位移的增加，剪切應(yīng)力逐漸降低，降低速率不大且不受法向應(yīng)力的影響。

圖10 不同法向應(yīng)力強(qiáng)風(fēng)化板巖剪切應(yīng)力-剪切位移曲線（DJ-1-A）

整理強(qiáng)風(fēng)化板巖試樣在不同法向應(yīng)力下的剪切強(qiáng)度結(jié)果，匯總?cè)绫?所示?？梢钥闯觯S著試樣所受法向應(yīng)力的增加，風(fēng)化板巖的剪切強(qiáng)度不斷增加。圖11給出了不同方案下法向應(yīng)力與剪切強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并采用式（1）所示的M-C準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，結(jié)果見圖11和表4。

圖11 強(qiáng)風(fēng)化板巖法向應(yīng)力與剪切強(qiáng)度關(guān)系

表4 強(qiáng)風(fēng)化板巖剪切強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)匯總

從圖11可以看出，隨著法向應(yīng)力的增加，強(qiáng)風(fēng)化板巖試樣的剪切強(qiáng)度呈線性增加趨勢，相關(guān)性很好。

這說明，本次原位剪切試驗(yàn)的實(shí)施過程和結(jié)果均是可靠的，能夠反映強(qiáng)風(fēng)化板巖的真實(shí)抗剪強(qiáng)度特性。其次，強(qiáng)風(fēng)化板巖在浸水后剪切強(qiáng)度有明顯降低，降低幅度隨著法向應(yīng)力的增加有增加的趨勢。另外，原位剪切試驗(yàn)進(jìn)行的位置不同，強(qiáng)風(fēng)化板巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有所差異但不是很大，進(jìn)一步反映了巖體力學(xué)指標(biāo)的離散性。

結(jié)合表4和圖11可以看出，強(qiáng)風(fēng)化板巖在浸水后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有所下降。其中，黏聚力c在1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)中分別降低16.16%、6.31%和8.08%，平均降低10.18%；內(nèi)摩擦角φ在1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)中分別降低5.67%、10.18%和10.89%，平均降低8.91%。整體來看，強(qiáng)風(fēng)化板巖中含水率的增加對(duì)黏聚力c的影響要大于內(nèi)摩擦角φ。

4 地基巖體工程特性測定

從上文研究可知，中等風(fēng)化板巖雖然強(qiáng)度不高，但仍屬于巖石類，其作為工程地基時(shí)承載力通常是足夠的。因此，本節(jié)僅對(duì)其化學(xué)特性進(jìn)行了測定。而對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化板巖而言，其質(zhì)地非常松散，與土的性質(zhì)類似，工程性較差。因此，本節(jié)進(jìn)一步對(duì)強(qiáng)風(fēng)化板巖的工程特性進(jìn)行了實(shí)地測定，分別從滲透性和承載力這兩個(gè)方面進(jìn)行。

4.1 中等風(fēng)化板巖化學(xué)組成分析

本次研究共選取三組炭質(zhì)板巖巖芯試樣進(jìn)行光譜半定量檢測，通過該途徑可以準(zhǔn)確了解炭質(zhì)板巖內(nèi)部的化學(xué)組成和各自占比，檢測結(jié)果見表5。結(jié)果表明，炭質(zhì)板巖中硅（Si）元素的含量最高，為25%以上；其次為鐵（Fe）元素，其含量在8.5%～9%；接下來為鋁（Al）元素，其含量大于5%；鉀（K）和鎂（Mg）元素的含量也較高，均超過了1%。

表5 炭質(zhì)板巖光譜半定量檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(ω(B)/(10-2))

由上述結(jié)果可知，中等風(fēng)化板巖含有大量硅酸鹽礦物。根據(jù)江宗斌等[7]的研究，雨水中含有的酸性物質(zhì)會(huì)通過微裂隙進(jìn)入巖石內(nèi)部，并與這些硅酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，造成巖石局部出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。其他礦物也會(huì)在外部腐蝕物質(zhì)的影響下發(fā)生不同的侵蝕反應(yīng)?？傊瑤r石在長期侵蝕作用下勢必會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)不斷弱化，而弱化機(jī)理與各元素的含量有重要聯(lián)系。

4.2 強(qiáng)風(fēng)化板巖滲透性測定

為了了解強(qiáng)風(fēng)化板巖的滲透性，本次研究對(duì)工程場地內(nèi)5個(gè)不同位置的強(qiáng)風(fēng)化板巖分別進(jìn)行了試坑滲透試驗(yàn)，具體試驗(yàn)流程按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）[11]的相應(yīng)要求進(jìn)行。本次試驗(yàn)采用單環(huán)法，直徑為50 cm。當(dāng)供水瓶流出水量穩(wěn)定后，每隔20 min對(duì)其滲流量進(jìn)行記錄，共記錄6次。滲透系數(shù)采用式（2）進(jìn)行估算。

式中：Q為滲流水量，cm3；t為時(shí)間，s；Ah為鐵環(huán)面積，cm2。強(qiáng)風(fēng)化板巖的滲透系數(shù)kt的估算結(jié)果見表6。從表中可以看出，強(qiáng)風(fēng)化板巖的滲透系數(shù)kt為8.71×10-4～9.19×10-4cm/s，平均值為8.93×10-4cm/s。根據(jù)規(guī)范可知，本工程強(qiáng)風(fēng)化板巖地層屬于中等透水層。

表6 現(xiàn)場注水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3 強(qiáng)風(fēng)化板巖地基承載力測定

為獲得強(qiáng)風(fēng)化板巖地基的承載力指標(biāo)，在工程現(xiàn)場的6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別進(jìn)行了超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)的埋深在5～15 m。之后，依據(jù)規(guī)范要求對(duì)錘擊數(shù)（N120）進(jìn)行了一系列修正，最終試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 板巖重型（N120）動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表7中的結(jié)果可知，本研究區(qū)域內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化板巖的修正后錘擊數(shù)的平均值為9.8擊。依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》[12]中的相關(guān)資料，可知本研究區(qū)域內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化板巖的地基承載力特征值fak約720～800 kPa，基本符合強(qiáng)風(fēng)化軟巖地基承載力的合理范圍。

5 結(jié)論

對(duì)中等風(fēng)化板巖和強(qiáng)風(fēng)化板巖的力學(xué)性質(zhì)和工程特性進(jìn)行了全面的研究，得到以下結(jié)論：

（1）不同天然中等風(fēng)化板巖樣本的單軸抗壓強(qiáng)度具有很強(qiáng)的離散性。含水率增加后，中等風(fēng)化板巖的軟化系數(shù)在0.47～0.67，強(qiáng)度弱化非常明顯。壓縮過程中，板巖試樣的破壞大多沿內(nèi)部微裂紋處產(chǎn)生，整體破壞模式與巖石內(nèi)預(yù)先存在的微裂紋的分布形式有密切關(guān)系。

（2）強(qiáng)風(fēng)化板巖質(zhì)地極其松散，顆粒級(jí)配表現(xiàn)為明顯的兩極分化現(xiàn)象，級(jí)配曲線出現(xiàn)了特殊的粒徑缺失段，均勻性不佳。原位剪切試驗(yàn)中，隨著法向應(yīng)力的增加，強(qiáng)風(fēng)化板巖的抗剪強(qiáng)度近似線性增加。隨著含水量的增加，強(qiáng)風(fēng)化板巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所降低。

（3）中等風(fēng)化板巖內(nèi)部硅（Si）元素的含量最高，其次為鐵（Fe）、鋁（Al）、鉀（K）和鎂（Mg）等。強(qiáng)風(fēng)化板巖地層的滲透系數(shù)平均值為8.93×10-4cm/s，屬于中等透水層。強(qiáng)風(fēng)化板巖的統(tǒng)計(jì)修正后錘擊數(shù)為9.8擊，地基承載力特征值fak約為720～800 kPa。