岩体结构面抗剪强度参数的取值研究

1.郭纬文 2.于 谦 3.朱 建

1.中水北方勘测设计研究有限责任公司 2.黄河勘测规划设计有限公司天津设计院 3.天津水务投资集团有限公司

岩体结构面抗剪强度参数的取值研究

1.郭纬文 2.于 谦 3.朱 建

1.中水北方勘测设计研究有限责任公司 2.黄河勘测规划设计有限公司天津设计院 3.天津水务投资集团有限公司

岩体是自然历史的形成物，是赋存于地质环境中的、经历过变形及破坏改造的、并且具有一定岩石成分及结构的地质体。岩体总是由结构面纵横切割而成，结构面的存在是造成岩体工程性质不连续、各相异性和不均一的根源。而结构面抗剪强度总是低于完整岩石的抗剪强度，因此岩体结构面对岩体的变形和破坏起着控制作用。文中对岩体结构面抗剪强度参数的取值进行了分析，仅供业内人士参考。

岩体结构面；抗剪强度；参数；取值

1 试验法参数取值

1.1 室内剪切试验

室内剪切试验的基本原理、数据处理方法与土体直剪试验类似。其试验设备、方法相对简单，操作步骤规范、方便，因此应用最广。该方法的主要问题是试样的代表性、原状性、尺寸效应等。试样的代表性问题主要由于结构面性质的复杂性与变异性，当试样数量不足，会导致试验数据的随机性和离散性过大，从而使数理统计得到的参数取值具有较大偏差。试样的原状性问题体现在岩体试样在开挖过程中会不可避免地受到一定的扰动，导致结构面的闭合程度有所变化，因此会不同程度地影响试验结果。

1.2 原位大型剪切试验

原位大型剪切试验的原理与室内试验相同，主要差别体现在试样制备和具体仪器设备上。由于其试验过程在原位进行且剪切断面较大，因此在很大程度上克服了试样的原状性和尺寸效应等问题，所得结果较为可靠。但因其设备笨重、操作复杂，故成本高、周期长，一般只应用于重大工程。

2 结构面基本摩擦角、粗糙度系数、壁岩强度、咬合阻力产生的摩擦角的确定

2.1 基本摩擦角

根据岩石的摩擦机制、岩体结构面摩擦角的组成及Barton经验公式的力学解释，对于未风化岩体，岩体结构面的基本摩擦角为一定值，即φb=30°；对于风化岩体可用结构面残余摩擦角φr替代基本摩擦角φb，工程实践研究发现，在无实测结构面残余摩擦角φr时，对于软质结构面，基本摩擦角可按下列方法确定：

φb=tan-1[ηtan(30°)]

式中η为岩石的软化系数。

2.2 粗糙度系数JRC

根据岩体表面风化程度、完整程度等地质条件查表1取值。

经研究分析表明岩体的完整性系数Kv与岩体结构面粗糙度系数JRC有如下对应关系。

强风化～新鲜，结构面无软弱黏土或黏土充填时(表2)。

根据表2数据对应关系可拟合出下列关系式JRC=3.65659886 ×5.6KVR=0.9896652

强风化，结构面内有软弱黏土或黏土充填时(表3)。

根据表3数据对应关系可拟合出下列关系式

JRC=11×KV-0.7799435R=0.987869式中R为相关系数，相关性较好。

对于有软弱黏土充填的岩体结构面，相当于添加了润滑剂，结构面更光滑些，粗糙度系数减小些，针对有软粘土充填的结构面，对粗糙度系数JRC弱化处理的一种方法。

2.3 壁岩单轴抗压强度JCS的确定

研究表明利用广义霍克-布朗准则导出的估算岩体单轴饱和抗压强度的公式所计算结果与实际非常吻合，建议壁岩单轴抗压强度JCS可根据广义霍克-布朗准则按下式确定：JCS=Saσc

表1 粗糙度系数JRC与岩体表面条件的对应关系

表2 完整性系数Kv与粗糙度系数JRC对应关系

表3 完整性系数Kv与粗糙度系数JRC对应关系

式中：σc为完整岩块单轴饱和抗压强度；S、a是表征岩体特征的常数，其中S表征岩体的破碎程度；a表示与岩体完整程度有关的参数。

2.4 咬合阻力产生的摩擦角确定

通过研究发现，粗糙度的分类区段数与岩体的完整性系数Kv具有较好的对应关系。

岩体完整性系数Kv与粗糙度分类系数i之间的关系如下：

i=14.829586-15.0792KvR=-0.96913表面粗糙引起的咬合阻力产生的摩擦角为：

φa=8.0+2.1log10(4.52376Kv-0.5488758)最后一项理解为结构面凝聚力，则变成高应力状态下莫尔-库伦破坏准则表达式，只需将i用φa表示即可，计算过程中若式中括号内为负值，则取φa=0°C=π2×tanφa即可理解为结构面的凝聚力是由表面粗糙引起的咬合阻力产生，此法是从岩体顺沿结构面剪切破坏的力学机理分析而得，暂且称之为结构面剪切破坏的力学解法(简称力学解法)，省略凝聚力即变为工程上常用的Barton的JRC-JCS模型经验公式。

3 结论

总之，全面阐述了现有岩体结构面抗剪强度参数的确定方法及其特点并进行综合评述。同时，笔者认为在重点深入研究各种方法特别是有发展前景的方法的同时，还应在当前资金、技术水平的基础上，针对不同的工程实际需要，满足不同的实用精度，制定不同的确定方案，充分利用室内试验、现场试验、工程地质类比法及数值计算等方法的相互结合，以期做到确定结构面抗剪强度参数方法准确合理、经济实用，本文按此思路提出了相应的确定方案。

[1]饶宏玲，曾纪全，庞明亮，刘忠绪.锦屏一级拱坝岩体抗剪强度参数取值研究[J].长江科学院院报，2014，11：7-11+21.

[2]李倩倩，黄栋，乔建平，崔中兴.岩体抗剪强度参数的线性优化方法[J].岩土力学，2014，S2：156-161.

[3]尚铮，魏继红.尺寸效应对结构面抗剪强度影响研究[J].西华大学学报(自然科学版)，2014，06：101-104.