巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值研究

1.郭緯文 2.于 謙 3.朱 建

1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司天津設(shè)計(jì)院 3.天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司

巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值研究

1.郭緯文 2.于 謙 3.朱 建

1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司天津設(shè)計(jì)院 3.天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司

巖體是自然歷史的形成物，是賦存于地質(zhì)環(huán)境中的、經(jīng)歷過變形及破壞改造的、并且具有一定巖石成分及結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體。巖體總是由結(jié)構(gòu)面縱橫切割而成，結(jié)構(gòu)面的存在是造成巖體工程性質(zhì)不連續(xù)、各相異性和不均一的根源。而結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度總是低于完整巖石的抗剪強(qiáng)度，因此巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的變形和破壞起著控制作用。文中對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值進(jìn)行了分析，僅供業(yè)內(nèi)人士參考。

巖體結(jié)構(gòu)面；抗剪強(qiáng)度；參數(shù)；取值

1 試驗(yàn)法參數(shù)取值

1.1 室內(nèi)剪切試驗(yàn)

室內(nèi)剪切試驗(yàn)的基本原理、數(shù)據(jù)處理方法與土體直剪試驗(yàn)類似。其試驗(yàn)設(shè)備、方法相對(duì)簡(jiǎn)單，操作步驟規(guī)范、方便，因此應(yīng)用最廣。該方法的主要問題是試樣的代表性、原狀性、尺寸效應(yīng)等。試樣的代表性問題主要由于結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的復(fù)雜性與變異性，當(dāng)試樣數(shù)量不足，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和離散性過大，從而使數(shù)理統(tǒng)計(jì)得到的參數(shù)取值具有較大偏差。試樣的原狀性問題體現(xiàn)在巖體試樣在開挖過程中會(huì)不可避免地受到一定的擾動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的閉合程度有所變化，因此會(huì)不同程度地影響試驗(yàn)結(jié)果。

1.2 原位大型剪切試驗(yàn)

原位大型剪切試驗(yàn)的原理與室內(nèi)試驗(yàn)相同，主要差別體現(xiàn)在試樣制備和具體儀器設(shè)備上。由于其試驗(yàn)過程在原位進(jìn)行且剪切斷面較大，因此在很大程度上克服了試樣的原狀性和尺寸效應(yīng)等問題，所得結(jié)果較為可靠。但因其設(shè)備笨重、操作復(fù)雜，故成本高、周期長(zhǎng)，一般只應(yīng)用于重大工程。

2 結(jié)構(gòu)面基本摩擦角、粗糙度系數(shù)、壁巖強(qiáng)度、咬合阻力產(chǎn)生的摩擦角的確定

2.1 基本摩擦角

根據(jù)巖石的摩擦機(jī)制、巖體結(jié)構(gòu)面摩擦角的組成及Barton經(jīng)驗(yàn)公式的力學(xué)解釋，對(duì)于未風(fēng)化巖體，巖體結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角為一定值，即φb=30°；對(duì)于風(fēng)化巖體可用結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角φr替代基本摩擦角φb，工程實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，在無實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角φr時(shí)，對(duì)于軟質(zhì)結(jié)構(gòu)面，基本摩擦角可按下列方法確定：

φb=tan-1[ηtan(30°)]

式中η為巖石的軟化系數(shù)。

2.2 粗糙度系數(shù)JRC

根據(jù)巖體表面風(fēng)化程度、完整程度等地質(zhì)條件查表1取值。

經(jīng)研究分析表明巖體的完整性系數(shù)Kv與巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系。

強(qiáng)風(fēng)化～新鮮，結(jié)構(gòu)面無軟弱黏土或黏土充填時(shí)(表2)。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系可擬合出下列關(guān)系式JRC=3.65659886 ×5.6KVR=0.9896652

強(qiáng)風(fēng)化，結(jié)構(gòu)面內(nèi)有軟弱黏土或黏土充填時(shí)(表3)。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系可擬合出下列關(guān)系式

JRC=11×KV-0.7799435R=0.987869式中R為相關(guān)系數(shù)，相關(guān)性較好。

對(duì)于有軟弱黏土充填的巖體結(jié)構(gòu)面，相當(dāng)于添加了潤(rùn)滑劑，結(jié)構(gòu)面更光滑些，粗糙度系數(shù)減小些，針對(duì)有軟粘土充填的結(jié)構(gòu)面，對(duì)粗糙度系數(shù)JRC弱化處理的一種方法。

2.3 壁巖單軸抗壓強(qiáng)度JCS的確定

研究表明利用廣義霍克-布朗準(zhǔn)則導(dǎo)出的估算巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度的公式所計(jì)算結(jié)果與實(shí)際非常吻合，建議壁巖單軸抗壓強(qiáng)度JCS可根據(jù)廣義霍克-布朗準(zhǔn)則按下式確定：JCS=Saσc

表1 粗糙度系數(shù)JRC與巖體表面條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 完整性系數(shù)Kv與粗糙度系數(shù)JRC對(duì)應(yīng)關(guān)系

表3 完整性系數(shù)Kv與粗糙度系數(shù)JRC對(duì)應(yīng)關(guān)系

式中：σc為完整巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度；S、a是表征巖體特征的常數(shù)，其中S表征巖體的破碎程度；a表示與巖體完整程度有關(guān)的參數(shù)。

2.4 咬合阻力產(chǎn)生的摩擦角確定

通過研究發(fā)現(xiàn)，粗糙度的分類區(qū)段數(shù)與巖體的完整性系數(shù)Kv具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

巖體完整性系數(shù)Kv與粗糙度分類系數(shù)i之間的關(guān)系如下：

i=14.829586-15.0792KvR=-0.96913表面粗糙引起的咬合阻力產(chǎn)生的摩擦角為：

φa=8.0+2.1log10(4.52376Kv-0.5488758)最后一項(xiàng)理解為結(jié)構(gòu)面凝聚力，則變成高應(yīng)力狀態(tài)下莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則表達(dá)式，只需將i用φa表示即可，計(jì)算過程中若式中括號(hào)內(nèi)為負(fù)值，則取φa=0°C=π2×tanφa即可理解為結(jié)構(gòu)面的凝聚力是由表面粗糙引起的咬合阻力產(chǎn)生，此法是從巖體順沿結(jié)構(gòu)面剪切破壞的力學(xué)機(jī)理分析而得，暫且稱之為結(jié)構(gòu)面剪切破壞的力學(xué)解法(簡(jiǎn)稱力學(xué)解法)，省略凝聚力即變?yōu)楣こ躺铣Ｓ玫腂arton的JRC-JCS模型經(jīng)驗(yàn)公式。

3 結(jié)論

總之，全面闡述了現(xiàn)有巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定方法及其特點(diǎn)并進(jìn)行綜合評(píng)述。同時(shí)，筆者認(rèn)為在重點(diǎn)深入研究各種方法特別是有發(fā)展前景的方法的同時(shí)，還應(yīng)在當(dāng)前資金、技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的工程實(shí)際需要，滿足不同的實(shí)用精度，制定不同的確定方案，充分利用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、工程地質(zhì)類比法及數(shù)值計(jì)算等方法的相互結(jié)合，以期做到確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)方法準(zhǔn)確合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，本文按此思路提出了相應(yīng)的確定方案。

[1]饒宏玲，曾紀(jì)全，龐明亮，劉忠緒.錦屏一級(jí)拱壩巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2014，11：7-11+21.

[2]李倩倩，黃棟，喬建平，崔中興.巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的線性優(yōu)化方法[J].巖土力學(xué)，2014，S2：156-161.

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