基于巴頓強度準則的某露天礦邊坡巖體結構面抗剪強度研究

魯旭榮，鄧 爽，吳占廷

（1.凱里學院，貴州 凱里；2.西北綜合勘察設計研究院 貴陽分院，貴州 貴陽）

引言

巖體結構面的形成因素復雜，而且在其形成后的構造運動中，結構面的自然特征會發生變化，結構面的自然特征，決定了巖體的強度和變形，而巖體結構面的力學性質對巖體穩定性至關重要[1-2]，工程巖體失穩主要由結構面的剪切破壞造成[3-5]，對巖體結構面作出定性、定量分析和評價，無論是對巖體基本力學特性的研究，還是巖體穩定性分析都具有十分重要的意義[6-8]，目前對不連續結構面抗剪強度主要采用經驗法、室內試驗及原位測試方法。其中經驗法過分依賴于工程師的經驗，而室內試驗因其樣品尺度小，應力條件與實際情況相差較大，通常無法直接在工程上應用，而原位大型抗剪試驗又存在費用高、試驗周期長等缺點，使得結構面抗剪強度研究的確定一直是困擾工程界的難題[9-10]。

本研究擬通過某石灰石露天礦邊坡巖體開展基于回彈測試利用JRC-JCS 模型的巴頓強度公式獲取的不連續結構面抗剪強度參數，利用查理茲建立的回彈值與結構面內摩擦角關系與通過室內直剪強度參數及經驗法確定的不連續結構面強度參數進行對比研究，為露天礦山邊坡穩定性研究提供依據。

1 巴頓（Barton）強度準則

1.1 巴頓（Barton）強度相關公式

Banton 和Choubey 在對不連續結構面研究的基礎上于1977 年提出了著名的巴頓結構面抗剪強度公式，如公式（1）所示。在《非煤露天礦邊坡工程技術規范》GB51016-2014 附錄C.1.1 中給出了不連續面殘余內摩擦角、巖石基本內摩擦角、結構面回彈值及干燥未風化巖體表明回彈值之間的關系，如公式（2）所示。

式中：τ——不連續面的抗剪強度（MPa）；

φr——巖石殘余摩擦角（°）；

φb——巖石基本摩擦角（°）；

JRC——不連續面粗糙度系數，取值1～20；

JCS——不連續面巖石抗壓強度；

σ——破壞面上的法向應力（Mpa）；

r——風化濕潤節理面表面的回彈數；

R——干燥未風化巖石表面的回彈數。

查理茲總結得到回彈值與結構面基本摩擦角φb間存在良好的線性關系，在極低正應力（0.17 MPa）下的風化裂隙上的試驗結果及Barton 在未風化巖石上的殘余摩擦試驗結果形成如下線性關系[12]：

1.2 不連續面粗糙系數JRC 的確定

巴頓在1977 年提出結構面粗糙度系數（Joint Roughness Coefficient，JRC）定量描述結構面粗糙度的方法，該方法是將10 cm 長的結構面從光滑至最粗糙度劃分為10 個等級，對應的JRC 值在0～20，將巖體結構面的直接測量結果與標準粗糙度剖面圖進行對比，即可確定結構面的JRC 值。

由于現場工作采用10 cm 長度對結構面粗糙度進行描述往往不具有代表性，對于測量長度大于10 cm 的結構面，巴頓和班迪斯在1982 年提出了JRC 修正公式。部分學者也提出通過直剪試驗或簡單傾斜拉滑試驗測量峰值抗剪強度和基本摩擦角來反算JRC[13]，也有學者利用分形幾何方法確定結構面的粗糙程度[14]，但為了克服估算結構面JRC 值的主觀性、試驗反算及分析幾何方法給JRC 值確定帶來的不便，巴頓在1982年根據直邊圖法確定JRC 值，由于結構面起伏度可用起伏差和起伏角進行表示，直邊圖法將JRC 值的確定轉換為起伏度的測量和輪廓曲線長度，有效地解決了標準剖面長度10 cm 的問題，同時考慮到輪廓曲線長度對JRC 的影響。在工程實際中便于工程師的操作，同時為經費緊張和周期緊的項目確定結構面抗剪強度提供了可靠的途徑。確定JRC 值的標準剖面圖[11]見圖1。裂面起伏度估算粗糙度JRC 值圖見圖2。

圖1 確定JRC 值的標準剖面圖[11]

圖2 裂面起伏度估算粗糙度JRC 值圖

圖3 裂面硬度估算單軸抗壓強度JCS 值圖

1.3 不連續面巖石單軸抗壓強度JCS 的確定

但GB51016-2014 規定的JCS 取值區間過大，采用單軸抗壓強度折減屬于經驗估值，Barton 直邊圖受多因素影響，不便于操作。采用回彈值利用巴頓推薦的米勒經驗關系公式求裂隙抗壓強度JCS，使得JCS 操作極為簡便。

式中：γ ——巖塊干重度（kN/m3）；

r ——風化濕潤節理面表面的回彈數。

2 工程案例

2.1 工程概況

某露天礦區主要出露的地層為三疊系中統北衙組中段（T2b2）與二疊系上統黑泥哨組（P2h），將在該礦山北側形成416 m 高終采邊坡，邊坡主要為三疊系中統北衙組中段灰巖。

2.2 結構面特征

結構面的特征包括產狀、間距張開度、充填情況等。通過現有開挖臺階露頭上采用結構面測線法和鉆孔定向測量獲取礦山地表及深部的巖體結構面信息。對305 m 的結構面測線，獲取到383 組地表巖體結構面信息；通過鉆孔定向鉆獲取到800 組礦山深部巖體結構面信息。對相關結構面信息進行統計，結合結構面特征識別為層面C 和J1、J2、J3 三組節理面，獲得巖體結構面產狀、半跡線長度、間距的分布信息統計見表1。根據現場工程地質調查，對層面和節理面形態、張開度、充填情況等結構面主要工程地質特征見表2。

表1 巖體結構面分布信息統計

表2 結構面工程地質特征

2.3 密度及單軸抗壓強度測試

本次采取18 件樣品分別進行天然狀態和飽和狀態下的密度試驗，密度檢測統計結果見表3。12 件樣品進行天然和飽和單軸抗壓試驗，其試驗結果統計見表4。

表3 巖石密度統計（單位g/cm3）

表4 巖石單軸抗壓強度統計（單位MPa）

2.4 結構面回彈測試

為獲取風化濕潤節理面表面的回彈數（r）和干燥未風化巖石表面的回彈數（R），按照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T23-2011）對場地的巖石經過石場切割后的新鮮面作為干燥未風化巖石表面的回彈數（R），現場出露的結構面上作為風化濕潤節理面表面的回彈數（r），對回彈測試數據統計見表5。

表5 回彈測試數據匯總

3 結構面抗剪強度

3.1 室內試驗

根據《工程巖體試驗方法標準》GB/T50266-2013和《水利水電工程巖石試驗規程》SL/T264-2020，對結構面采取邊長為150 mm 立方體樣進行室內剪切試驗，結構面抗剪強度統計數據見表6。

表6 結構面剪切試驗結果統計

3.2 巴頓（Barton）強度準則對結構面抗剪強度的確定

利用巴頓（Barton）直邊圖法中的起伏差和輪廓曲線長度對JRC 值進行估算，對其結構面JRC 統計，對JCS 的取值米勒經驗關系公式確定，其結構面JRC 值和JCS 值計算結果見表7。

表7 結構面JRC 和JCS 值統計

根據巴頓（Barton）強度相關公式，計算得到基于巴頓強度準則確定結構面抗剪強度，計算結果見表8。

表8 巴頓（Barton）強度準則確定結構面抗剪強度

4 巖體抗剪強度對比分析

對比表6 和表8，在相同結構面下，天然狀態下的剪切強度要大于飽和狀態下的剪切強度，基于巴頓（Barton）強度準則計算的殘余摩擦角均小于室內試驗，黏聚力的大小關系則不確定。不同結構界面的剪切強度大小關系為節理J3＞層面C＞節理J1＞節理J2，基于巴頓（Barton）強度準則計算的殘余摩檫力大小遵循室內剪切強度大小關系，基于巴頓（Barton）強度準則計算的黏聚力中，結構面層面C 比室內抗剪試驗要小，節理J3、J2 最大比室內抗剪試驗要大，而節理J1 介于天然和飽和之間。

5 結論

通過對某石灰石露天礦邊坡巖體開展回彈測試，利用JRC-JCS 模型的巴頓強度公式獲取的不連續結構面抗剪強度參數計算結果與室內結構面剪切試驗對比，基于巴頓（Barton）強度準則計算的殘余摩擦角要小于室內剪切試驗結果，而黏聚力大小關系則不定，說明巖體的結構界面及界面間的填充物對巖體的剪切強度有著重要影響，使用巴頓（Barton）強度準則能夠快速地獲取結構面抗剪強度，為露天礦場邊坡設計參數的選取提供了快捷的方法。