巖體結構面抗剪強度參數的取值研究

1.郭緯文 2.于 謙 3.朱 建

1.中水北方勘測設計研究有限責任公司 2.黃河勘測規劃設計有限公司天津設計院 3.天津水務投資集團有限公司

巖體結構面抗剪強度參數的取值研究

1.郭緯文 2.于 謙 3.朱 建

1.中水北方勘測設計研究有限責任公司 2.黃河勘測規劃設計有限公司天津設計院 3.天津水務投資集團有限公司

巖體是自然歷史的形成物，是賦存于地質環境中的、經歷過變形及破壞改造的、并且具有一定巖石成分及結構的地質體。巖體總是由結構面縱橫切割而成，結構面的存在是造成巖體工程性質不連續、各相異性和不均一的根源。而結構面抗剪強度總是低于完整巖石的抗剪強度，因此巖體結構面對巖體的變形和破壞起著控制作用。文中對巖體結構面抗剪強度參數的取值進行了分析，僅供業內人士參考。

巖體結構面；抗剪強度；參數；取值

1 試驗法參數取值

1.1 室內剪切試驗

室內剪切試驗的基本原理、數據處理方法與土體直剪試驗類似。其試驗設備、方法相對簡單，操作步驟規范、方便，因此應用最廣。該方法的主要問題是試樣的代表性、原狀性、尺寸效應等。試樣的代表性問題主要由于結構面性質的復雜性與變異性，當試樣數量不足，會導致試驗數據的隨機性和離散性過大，從而使數理統計得到的參數取值具有較大偏差。試樣的原狀性問題體現在巖體試樣在開挖過程中會不可避免地受到一定的擾動，導致結構面的閉合程度有所變化，因此會不同程度地影響試驗結果。

1.2 原位大型剪切試驗

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

2 結構面基本摩擦角、粗糙度系數、壁巖強度、咬合阻力產生的摩擦角的確定

2.1 基本摩擦角

根據巖石的摩擦機制、巖體結構面摩擦角的組成及Barton經驗公式的力學解釋，對于未風化巖體，巖體結構面的基本摩擦角為一定值，即φb=30°；對于風化巖體可用結構面殘余摩擦角φr替代基本摩擦角φb，工程實踐研究發現，在無實測結構面殘余摩擦角φr時，對于軟質結構面，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。

2.2 粗糙度系數JRC

根據巖體表面風化程度、完整程度等地質條件查表1取值。

經研究分析表明巖體的完整性系數Kv與巖體結構面粗糙度系數JRC有如下對應關系。

強風化～新鮮，結構面無軟弱黏土或黏土充填時(表2)。

根據表2數據對應關系可擬合出下列關系式JRC=3.65659886 ×5.6KVR=0.9896652

強風化，結構面內有軟弱黏土或黏土充填時(表3)。

根據表3數據對應關系可擬合出下列關系式

JRC=11×KV-0.7799435R=0.987869式中R為相關系數，相關性較好。

對于有軟弱黏土充填的巖體結構面，相當于添加了潤滑劑，結構面更光滑些，粗糙度系數減小些，針對有軟粘土充填的結構面，對粗糙度系數JRC弱化處理的一種方法。

2.3 壁巖單軸抗壓強度JCS的確定

研究表明利用廣義霍克-布朗準則導出的估算巖體單軸飽和抗壓強度的公式所計算結果與實際非常吻合，建議壁巖單軸抗壓強度JCS可根據廣義霍克-布朗準則按下式確定：JCS=Saσc

表1 粗糙度系數JRC與巖體表面條件的對應關系

表2 完整性系數Kv與粗糙度系數JRC對應關系

表3 完整性系數Kv與粗糙度系數JRC對應關系

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

2.4 咬合阻力產生的摩擦角確定

通過研究發現，粗糙度的分類區段數與巖體的完整性系數Kv具有較好的對應關系。

巖體完整性系數Kv與粗糙度分類系數i之間的關系如下：

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

φa=8.0+2.1log10(4.52376Kv-0.5488758)最后一項理解為結構面凝聚力，則變成高應力狀態下莫爾-庫倫破壞準則表達式，只需將i用φa表示即可，計算過程中若式中括號內為負值，則取φa=0°C=π2×tanφa即可理解為結構面的凝聚力是由表面粗糙引起的咬合阻力產生，此法是從巖體順沿結構面剪切破壞的力學機理分析而得，暫且稱之為結構面剪切破壞的力學解法(簡稱力學解法)，省略凝聚力即變為工程上常用的Barton的JRC-JCS模型經驗公式。

3 結論

總之，全面闡述了現有巖體結構面抗剪強度參數的確定方法及其特點并進行綜合評述。同時，筆者認為在重點深入研究各種方法特別是有發展前景的方法的同時，還應在當前資金、技術水平的基礎上，針對不同的工程實際需要，滿足不同的實用精度，制定不同的確定方案，充分利用室內試驗、現場試驗、工程地質類比法及數值計算等方法的相互結合，以期做到確定結構面抗剪強度參數方法準確合理、經濟實用，本文按此思路提出了相應的確定方案。

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