典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究
第 28 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.28 Supp.1
2009 年 5 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2009
收稿日期：2009–02–09；修回日期：2009–03–10
基金项目：交通部西部交通建设科技项目(200231800026)
作者简介：程 强(1972–)，男，博士，1992 年毕业于西南交通大学铁道工程专业，现为高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计等方面的研究工作。
E-mail：chengqiangy@163.com
典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究
程 强 1，周德培 2，封志军 2
(1. 四川省交通厅 公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)
摘要：红层软岩边坡岩体中软弱夹层发育且具有蠕变性，很多边坡岩体的失稳破坏都是沿软弱结构面的滑移失稳，
软弱夹层剪切强度参数的选取是边坡工程勘察中的关键问题。通过 2 个典型红层软岩边坡工点软弱夹层样品室内
剪切蠕变试验研究，表明红层软岩软弱夹层具有显著的蠕变特性，在边坡剪切强度参数选取中应考虑软弱夹层蠕
变的影响。通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析，建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的
75%。
关键词：岩石力学；红层软岩；软弱夹层；剪切蠕变；长期剪切强度
中图分类号： TU 45 文献标识码： A 文章编号：1000–6915(2009)增 1–3176–05
RESEARCH ON SHEAR CREEP PROPERTY OF TYPICAL WEAK
INTERCALATION IN REDBED SOFT ROCK
CHENG Qiang1，ZHOU Depei2，FENG Zhijun2
(1. Sichuan Provincial Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Chengdu，Sichuan 610041，China；
2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China)
Abstract：Weak intercalation in redbed soft rock has the property of creep. Most of slope rock masses destabilize
along the weak intercalation. So the selection of shear strength parameters is a key problem in the survey of slope.
The shear creep experiments on samples with weak intercalation collected from two typical redbed soft rock slopes
are performed. The results show that the soft intercalation is very significant in creep，which should be considered
in the shear strength parameters. According to the analysis of long- and short-term shear strengths，it is suggested
that the long-term shear strength is about 75% of short-term one.
Key words：rock mechanics；redbed soft rock；weak intercalation；shear creep；long-term shear strength
1 引 言
红层是外观以红色为主色调的中、新生代碎屑
沉积岩层，以陆相沉积为主，岩性以砂岩、泥岩、
页岩为主，岩性组合以互层为特征[1]。红层岩体多
为软硬互层岩体，以软岩为主且软弱结构面发育。
红层岩体中软弱结构面的发育特征及空间形态对红
层岩体的稳定性有重要的控制作用[1，2]。
红层软岩岩性软弱，研究表明，软岩及软弱夹
层具有显著的蠕变特性。杨淑碧等[3]对红层地区砂
泥岩互层状斜坡岩体的流变性进行了试验研究，结
果表明，泥岩在压缩和剪切条件下的长期强度相对
较低，强度的时间效应显著。朱定华等[4～11]在岩石
流变性方面开展了大量研究工作，结果表明，软弱
泥质岩类具有显著的蠕变性。
对于边坡岩体而言，控制边坡岩体稳定的是岩
体中各类结构面，尤其是其中的软弱夹层。杨松林
第 28 卷 增 1 程 强，等. 典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究 ? 3177 ?
等[12]针对节理岩体，推导了节理岩体蠕变模型的一
般表达式，研究了节理岩体的蠕变特性；张奇华和
彭光忠[13]通过室内剪切流变试验研究，分析了链子
崖危岩体中软弱夹层的流变特性及长期强度问题；
王祥秋等[14]进行了滑坡面软弱夹层单剪蠕变试验，
研究了其非线性流变特性和软弱夹层长期强度的求
解方法；王志俭等[15]进行了红层软弱夹层排水蠕变
试验，研究软弱夹层的流变性能。
软弱夹层抗剪强度参数的选取是边坡稳定性分
析中的一个难点问题，尤其是在公路、铁路工程等
建设项目中，边坡工程数量众多，但单体规模往往
不大，实际边坡工程勘察设计中，不可能每一个项
目都进行剪切蠕变试验，因此，如何考虑红层软岩
软弱夹层的长期强度是边坡勘察设计中一个非常实
际的问题。本文结合边坡工程建设项目勘察设计，
选取了 2 个典型红层软岩软弱夹层样品，进行室内
剪切蠕变试验研究，主要分析其剪切蠕变特性及长
期强度参数的选取，为工程勘察设计提供可供参考
的资料。
2 红层软岩软弱夹层剪切蠕变试验
及长期强度参数选取
2.1 某近水平红层软岩边坡软弱夹层的蠕变试验
程 强等[2]研究发现，近水平红层软岩边坡中岩
体滑移失稳问题非常突出，其失稳破坏的边界面多
为岩体中的软岩层面、软弱夹层等。为研究这类软
弱夹层的蠕变性质，选取一处典型近水平红层软岩
边坡采集软弱夹层样品(样品 1，该边坡在公路开挖
施工中产生沿软弱夹层的滑移破坏)，进行剪切蠕变
性质研究。样品容重为 19 kN/m3，直剪试验测出的
抗剪强度参数是 c = 25.3 kPa，? = 23.5°。将其制作
成圆柱状(直径 90 mm)，在剪切蠕变试验仪上进行
剪切，采用分级加载的试验方法，得出的蠕变曲线
如图 1 所示，其中?为法向正应力。
(a) ? = 800 kPa
(b) ? = 500 kPa
时间/d
(c) 各级剪切荷载下的蠕变曲线(? = 800 kPa)
时间/d
(d) 各级剪切荷载下的蠕变曲线(? = 500 kPa)
图 1 样品 1 剪切蠕变曲线
Fig.1 Shear creep curves of sample 1
从图 1 可以看出，这种软弱夹层的蠕变很明显，
从第三级荷载开始就出现了第二阶段蠕变，以后随
剪切荷载的增加，蠕变速率不断增大。法向正应力
? = 800 kPa 时，发生蠕变破坏所需的剪应力是 340
kPa；当? = 500 kPa 时，发生蠕变破坏所需的剪应
力却降低到 160 kPa。这说明埋深越大，即使是软弱
夹层也有较大的抗剪能力。正应力由 800 kPa 降到
500 kPa，减少了 37.5%，而抗剪强度却由 340 kPa
降到 160 kPa，减少了 53%。这说明坡体浅部的软
弱夹层发生剪切破坏的可能性较深部的大。
综合分析图 1 的蠕变曲线，可绘出不同时刻的
剪应力–剪切位移曲线，如图 2 所示。在 t = 0.0 d
时，曲线变形小，变形模量大。随着时间的加大，
变形增大，变形模量减小。从理论上讲 t = ∞时刻的
曲线渐近线所对应的应力就是其长期强度。根据
剪切位移
/(0.1 mm)
剪切位移
/(0.1 mm)
? 3178 ? 岩石力学与工程学报 2009 年
剪切位移/(0.1 mm)
(a) ? = 800 kPa
剪切位移/(0.1 mm)
(b) ? = 500 kPa
图 2 样品 1 不同时刻剪应力–剪切位移曲线
Fig.2 Shear stress-shear displacement curves of sample 1 at
different times
图 2 曲线的发展趋势以及图 1 的蠕变曲线，可得出
该软弱夹层在? ? 800 kPa 时，其长期抗剪强度为
285 kPa，而? ? 500 kPa 时，长期抗剪强度为 182
kPa。图 3 给出了这种软弱夹层短期强度和长期强度
的对比，可以看出，短期强度和长期强度线不是平
行的，随着正应力(或埋深)的增加，两条直线向上
呈喇叭型发展，长期强度是短期强度 74%～76%，
例如：? ? 300 kPa 时长期强度是短期强度的 74%；
? ? 500 kPa 时是 75%；? ? 800 kPa 时是 76%。通
过样品 1 试验资料分析可知，其长期强度可按短期
强度的 75%考虑。因此该工点软弱夹层的长期抗剪
强度指标可选用：c = 18 kPa，? = 17.8°。需要说明
的是，该边坡岩体稳定性分析中，需要考虑后缘裂
隙水压力的影响。
2.2 某倾斜地层边坡软弱夹层蠕变试验
图 3 样品 1 短期强度和长期强度的对比
Fig.3 Contrast between short-term strengh and long-term
strength of sample 1
在倾斜地层边坡岩体中，层面、外倾节理面往
往成为导致岩体失稳变形的重要边界面，尤其是其
中的软弱夹层。某典型顺层斜交结构边坡中，勘察
发现软弱结构面发育，边坡岩体的失稳破坏主要是
沿此类软弱结构面的滑移破坏。研究中采取了软弱
结构面样品(样品 2，为泥化夹层)进行剪切蠕变试
验，其天然含水量为 18.4%，采用短期直接剪切试
验测出的抗剪强度参数是：c = 62 kPa，? = 18.9°。
饱水时的含水量为 25.5%，抗剪强度参数为：c = 33
kPa，? = 16.6°。
采用分级加载的试验方法，得出天然状态下样
品 2 蠕变曲线如图 4 所示，饱水状态下蠕变曲线如
图 5 所示。
(a) ? = 300 kPa
(b) ? = 100 kPa
图 4 天然状态下样品 2 剪切蠕变曲线
Fig.4 Shear creep curves of sample 2 under natural condition
剪应力
/(10 kPa)
t =∞
t =∞
剪应力
/(10 kPa)
剪切位移
/(0.1 mm)
第 28 卷 增 1 程 强，等. 典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究 ? 3179 ?
(a) ? = 300 kPa
(b) ? = 100 kPa
图 5 饱水状态下样品 2 剪切蠕变曲线
Fig.5 Shear creep curves of sample 2 under water-saturated
condition
由图 5 可知，当? = 300 kPa，剪应力为 40 kPa
时，在经历 8.7 d 后软弱夹层达到稳定蠕变；当剪应
力增加到 80 kPa 时，软弱夹层达到第二阶段蠕变，
蠕变速率为 0.034 6 mm/d；当剪应力增加到 120 kPa
时，软弱夹层出现第三阶段蠕变而发生破坏。这说
明在? = 300 kPa 时，这种软弱夹层的长期抗剪强度
小于 120 kPa，在 80～120 kPa 范围内。
比较天然和饱水状态蠕变试验结果可以发现，
两者主要存在如下差别：
(1) 天然状态下发生蠕变时，其延迟系数较饱
水状态增大很多，这说明软弱夹层受到荷载作用后，
经历很短时间的变形增长阶段后，蠕变速率很快趋
于 0 而进入变形稳定阶段。
(2) 对比天然和饱水状态下的剪切蠕变曲线，
在同样是 300 kPa 的正应力作用下，天然状态下，
剪应力增加到 140 kPa 时，蠕变速率出现了较大值，
即 0.029 mm/d，在剪应力增加到 160 kPa 时发生第
三阶段蠕变而破坏；而饱水状态下，剪应力增加到
120 kPa 时即发生第三阶段蠕变而破坏。这说明天然
含水条件下，这种软弱夹层的长期抗剪强度较饱水
状态有较大增加。
(3) 天然状态下蠕变破坏时的剪切位移略大于
饱水状态。
为了进一步分析这种软弱夹层的流变性质，研
究其长期强度，根据试验数据绘出样品 2 在不同状
态、不同时刻的剪应力–剪切位移曲线和长期强度
与短期强度的对比曲线，分别如图 6，7 所示。
剪切位移/(0.1 mm)
(a) 饱水状态
剪切位移/(0.1 mm)
(b) 天然状态
图 6 样品 2 在不同状态、不同时刻的剪应力–剪切位移曲线
Fig.6 Shear stress-shear displacement curves of sample 2 at
different conditions and different times
(a) 饱水状态
(b) 天然状态
图 7 样品 2 短期强度和长期强度的对比
Fig.7 Contrast between short-term strenghs and long-term
strengths of sample 2
? = 300 kPa
剪应力
/(10 kPa)
t = 0.0 d t = 0.2 d t = 0.5 d
t = 0.9 d
t = 2.0 d
t = 2.9 d
t = 4.3 d
剪应
力
/(10 kPa)
? = 300 kPa
t = 0.00 d t = 0.03 d t = 0.68 d t = 1.02 d
t = ∞
t = 3.69 d
t = 8.13 d
t = ∞
? 3180 ? 岩石力学与工程学报 2009 年
根据各级荷载下的蠕变曲线和剪应力–剪切位
移曲线的发展规律可知，该软弱夹层在? ? 300 kPa
时，长期抗剪强度为 93 kPa(饱水状态)和 145 kPa(天
然状态)；在? ? 100 kPa 时，长期抗剪强度为 48
kPa(饱水状态)和 84 kPa(天然状态)。从图 7 可以看
出，随正应力增加，两条直线呈喇叭形扩展。饱水
状态下长期强度大约是短期强度的 76%，而天然状
态下则是 88%。这种差别在参数取值中应加以考虑。
由此可得该工点软弱夹层的长期抗剪强度指标为：
饱水状态下 c = 23 kPa，? ? 13°；天然状态下 c = 50
kPa，? ? 17°。
3 结 论
红层软岩中软弱夹层极为发育，红层软岩边坡
岩体的失稳破坏多为沿软弱夹层的剪切滑移破坏，
因此软弱夹层空间分布及剪切强度参数的研究是边
坡工程勘察中的关键和难点问题。
本文选取了 2 个典型红层软岩边坡软弱夹层样
品进行了剪切蠕变试验研究，结果表明，红层软岩
在剪切荷载作用下蠕变特性明显，因此在边坡岩体
稳定性分析中需要考虑这种软弱夹层蠕变性的影
响。
通过本文 2 个典型红层软岩软弱夹层样品的试
验研究，建议其长期强度取为短期强度的 75%左右，
可供相关勘察设计参考。
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