1.郭緯文 2.于 謙 3.朱 建

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巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)的取值研究

1.郭緯文 2.于 謙 3.朱 建

1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司天津設(shè)計院 3.天津水務(wù)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(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)面抗剪強度總是低于完整巖石的抗剪強度，因此巖體結(jié)構(gòu)面對巖體的變形和破壞起著控制作用。文中對巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)的取值進行了分析，僅供業(yè)內(nèi)人士參考。

巖體結(jié)構(gòu)面；抗剪強度；參數(shù)；取值

1 試驗法參數(shù)取值

1.1 室內(nèi)剪切試驗

室內(nèi)剪切試驗的基本原理、數(shù)據(jù)處理方法與土體直剪試驗類似。其試驗設(shè)備、方法相對簡單，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)的復雜性與變異性，當試樣數(shù)量不足，會導致試驗數(shù)據(jù)的隨機性和離散性過大，從而使數(shù)理統(tǒng)計得到的參數(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不可避免地受到一定的擾動，導致結(jié)構(gòu)面的閉合程度有所變化，因此會不同程度地影響試驗結(jié)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(nèi)試驗相同，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(yīng)等問題，所得結(jié)果較為可靠。但因其設(shè)備笨重、操作復雜，故成本高、周期長，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)巖石的摩擦機制、巖體結(jié)構(gòu)面摩擦角的組成及Barton經(jīng)驗公式的力學解釋，對于未風化巖體，巖體結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角為一定值，即φb=30°；對于風化巖體可用結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角φr替代基本摩擦角φb，工程實踐研究發(fā)現(xiàn)，在無實測結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角φr時，對于軟質(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有如下對應(yīng)關(guān)系。

強風化～新鮮，結(jié)構(gòu)面無軟弱黏土或黏土充填時(表2)。

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

強風化，結(jié)構(gòu)面內(nèi)有軟弱黏土或黏土充填時(表3)。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)對應(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。

對于有軟弱黏土充填的巖體結(jié)構(gòu)面，相當于添加了潤滑劑，結(jié)構(gòu)面更光滑些，粗糙度系數(shù)減小些，針對有軟粘土充填的結(jié)構(gòu)面，對粗糙度系數(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(jié)果與實際非常吻合，建議壁巖單軸抗壓強度JCS可根據(jù)廣義霍克-布朗準則按下式確定：JCS=Saσc

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

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

表3 完整性系數(shù)Kv與粗糙度系數(shù)JRC對應(yīng)關(guān)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(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(nèi)為負值，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)面剪切破壞的力學機理分析而得，暫且稱之為結(jié)構(gòu)面剪切破壞的力學解法(簡稱力學解法)，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)面抗剪強度參數(shù)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(fā)展前景的方法的同時，還應(yīng)在當前資金、技術(shù)水平的基礎(chǔ)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(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗、工程地質(zhì)類比法及數(shù)值計算等方法的相互結(jié)合，以期做到確定結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)方法準確合理、經(jīng)濟實用，本文按此思路提出了相應(yīng)的確定方案。

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