基于巴顿强度准则的某露天矿边坡岩体结构面抗剪强度研究

鲁旭荣，邓 爽，吴占廷

（1.凯里学院，贵州 凯里；2.西北综合勘察设计研究院 贵阳分院，贵州 贵阳）

引言

岩体结构面的形成因素复杂，而且在其形成后的构造运动中，结构面的自然特征会发生变化，结构面的自然特征，决定了岩体的强度和变形，而岩体结构面的力学性质对岩体稳定性至关重要[1-2]，工程岩体失稳主要由结构面的剪切破坏造成[3-5]，对岩体结构面作出定性、定量分析和评价，无论是对岩体基本力学特性的研究，还是岩体稳定性分析都具有十分重要的意义[6-8]，目前对不连续结构面抗剪强度主要采用经验法、室内试验及原位测试方法。其中经验法过分依赖于工程师的经验，而室内试验因其样品尺度小，应力条件与实际情况相差较大，通常无法直接在工程上应用，而原位大型抗剪试验又存在费用高、试验周期长等缺点，使得结构面抗剪强度研究的确定一直是困扰工程界的难题[9-10]。

本研究拟通过某石灰石露天矿边坡岩体开展基于回弹测试利用JRC-JCS 模型的巴顿强度公式获取的不连续结构面抗剪强度参数，利用查理兹建立的回弹值与结构面内摩擦角关系与通过室内直剪强度参数及经验法确定的不连续结构面强度参数进行对比研究，为露天矿山边坡稳定性研究提供依据。

1 巴顿（Barton）强度准则

1.1 巴顿（Barton）强度相关公式

Banton 和Choubey 在对不连续结构面研究的基础上于1977 年提出了著名的巴顿结构面抗剪强度公式，如公式（1）所示。在《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB51016-2014 附录C.1.1 中给出了不连续面残余内摩擦角、岩石基本内摩擦角、结构面回弹值及干燥未风化岩体表明回弹值之间的关系，如公式（2）所示。

式中：τ——不连续面的抗剪强度（MPa）；

φr——岩石残余摩擦角（°）；

φb——岩石基本摩擦角（°）；

JRC——不连续面粗糙度系数，取值1～20；

JCS——不连续面岩石抗压强度；

σ——破坏面上的法向应力（Mpa）；

r——风化湿润节理面表面的回弹数；

R——干燥未风化岩石表面的回弹数。

查理兹总结得到回弹值与结构面基本摩擦角φb间存在良好的线性关系，在极低正应力（0.17 MPa）下的风化裂隙上的试验结果及Barton 在未风化岩石上的残余摩擦试验结果形成如下线性关系[12]：

1.2 不连续面粗糙系数JRC 的确定

巴顿在1977 年提出结构面粗糙度系数（Joint Roughness Coefficient，JRC）定量描述结构面粗糙度的方法，该方法是将10 cm 长的结构面从光滑至最粗糙度划分为10 个等级，对应的JRC 值在0～20，将岩体结构面的直接测量结果与标准粗糙度剖面图进行对比，即可确定结构面的JRC 值。

由于现场工作采用10 cm 长度对结构面粗糙度进行描述往往不具有代表性，对于测量长度大于10 cm 的结构面，巴顿和班迪斯在1982 年提出了JRC 修正公式。部分学者也提出通过直剪试验或简单倾斜拉滑试验测量峰值抗剪强度和基本摩擦角来反算JRC[13]，也有学者利用分形几何方法确定结构面的粗糙程度[14]，但为了克服估算结构面JRC 值的主观性、试验反算及分析几何方法给JRC 值确定带来的不便，巴顿在1982年根据直边图法确定JRC 值，由于结构面起伏度可用起伏差和起伏角进行表示，直边图法将JRC 值的确定转换为起伏度的测量和轮廓曲线长度，有效地解决了标准剖面长度10 cm 的问题，同时考虑到轮廓曲线长度对JRC 的影响。在工程实际中便于工程师的操作，同时为经费紧张和周期紧的项目确定结构面抗剪强度提供了可靠的途径。确定JRC 值的标准剖面图[11]见图1。裂面起伏度估算粗糙度JRC 值图见图2。

图1 确定JRC 值的标准剖面图[11]

图2 裂面起伏度估算粗糙度JRC 值图

图3 裂面硬度估算单轴抗压强度JCS 值图

1.3 不连续面岩石单轴抗压强度JCS 的确定

但GB51016-2014 规定的JCS 取值区间过大，采用单轴抗压强度折减属于经验估值，Barton 直边图受多因素影响，不便于操作。采用回弹值利用巴顿推荐的米勒经验关系公式求裂隙抗压强度JCS，使得JCS 操作极为简便。

式中：γ ——岩块干重度（kN/m3）；

r ——风化湿润节理面表面的回弹数。

2 工程案例

2.1 工程概况

某露天矿区主要出露的地层为三叠系中统北衙组中段（T2b2）与二叠系上统黑泥哨组（P2h），将在该矿山北侧形成416 m 高终采边坡，边坡主要为三叠系中统北衙组中段灰岩。

2.2 结构面特征

结构面的特征包括产状、间距张开度、充填情况等。通过现有开挖台阶露头上采用结构面测线法和钻孔定向测量获取矿山地表及深部的岩体结构面信息。对305 m 的结构面测线，获取到383 组地表岩体结构面信息；通过钻孔定向钻获取到800 组矿山深部岩体结构面信息。对相关结构面信息进行统计，结合结构面特征识别为层面C 和J1、J2、J3 三组节理面，获得岩体结构面产状、半迹线长度、间距的分布信息统计见表1。根据现场工程地质调查，对层面和节理面形态、张开度、充填情况等结构面主要工程地质特征见表2。

表1 岩体结构面分布信息统计

表2 结构面工程地质特征

2.3 密度及单轴抗压强度测试

本次采取18 件样品分别进行天然状态和饱和状态下的密度试验，密度检测统计结果见表3。12 件样品进行天然和饱和单轴抗压试验，其试验结果统计见表4。

表3 岩石密度统计（单位g/cm3）

表4 岩石单轴抗压强度统计（单位MPa）

2.4 结构面回弹测试

为获取风化湿润节理面表面的回弹数（r）和干燥未风化岩石表面的回弹数（R），按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2011）对场地的岩石经过石场切割后的新鲜面作为干燥未风化岩石表面的回弹数（R），现场出露的结构面上作为风化湿润节理面表面的回弹数（r），对回弹测试数据统计见表5。

表5 回弹测试数据汇总

3 结构面抗剪强度

3.1 室内试验

根据《工程岩体试验方法标准》GB/T50266-2013和《水利水电工程岩石试验规程》SL/T264-2020，对结构面采取边长为150 mm 立方体样进行室内剪切试验，结构面抗剪强度统计数据见表6。

表6 结构面剪切试验结果统计

3.2 巴顿（Barton）强度准则对结构面抗剪强度的确定

利用巴顿（Barton）直边图法中的起伏差和轮廓曲线长度对JRC 值进行估算，对其结构面JRC 统计，对JCS 的取值米勒经验关系公式确定，其结构面JRC 值和JCS 值计算结果见表7。

表7 结构面JRC 和JCS 值统计

根据巴顿（Barton）强度相关公式，计算得到基于巴顿强度准则确定结构面抗剪强度，计算结果见表8。

表8 巴顿（Barton）强度准则确定结构面抗剪强度

4 岩体抗剪强度对比分析

对比表6 和表8，在相同结构面下，天然状态下的剪切强度要大于饱和状态下的剪切强度，基于巴顿（Barton）强度准则计算的残余摩擦角均小于室内试验，黏聚力的大小关系则不确定。不同结构界面的剪切强度大小关系为节理J3＞层面C＞节理J1＞节理J2，基于巴顿（Barton）强度准则计算的残余摩檫力大小遵循室内剪切强度大小关系，基于巴顿（Barton）强度准则计算的黏聚力中，结构面层面C 比室内抗剪试验要小，节理J3、J2 最大比室内抗剪试验要大，而节理J1 介于天然和饱和之间。

5 结论

通过对某石灰石露天矿边坡岩体开展回弹测试，利用JRC-JCS 模型的巴顿强度公式获取的不连续结构面抗剪强度参数计算结果与室内结构面剪切试验对比，基于巴顿（Barton）强度准则计算的残余摩擦角要小于室内剪切试验结果，而黏聚力大小关系则不定，说明岩体的结构界面及界面间的填充物对岩体的剪切强度有着重要影响，使用巴顿（Barton）强度准则能够快速地获取结构面抗剪强度，为露天矿场边坡设计参数的选取提供了快捷的方法。