CN100395550C - 岩体结构面力学、水力学性质取值方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值方法，包含以下顺序步骤：在小尺寸岩体结构面上，对应所需测量方向均匀布置统计所需数目的长度分别为10cm和30cm的测段，绘制上述测段的轮廓曲线；分别测量上述轮廓曲线的起伏幅度，计算每个测段粗糙度系数值，根据每个粗糙度系数计算得到期望值E(JRC₀)、E(JRC₃₀)；由JRC尺寸效应分形模型见式(Ⅰ)，得到岩体结构面JRC尺寸效应分维数D₃₀；将D₃₀值代入相对JRC尺寸效应率公式见式(Ⅱ)，得到L_n-f关系图，在L_n-f关系图上，取f＝5%时，L_n-f关系曲线上对应的取样长度即岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*；将上述确定的岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*作为岩体结构面力学、水力学性质稳定阈值代入公式，就可以进行大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值。

Description

岩体结构面力学、水力学性质取值方法

(一)技术领域

本发明涉及大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值方法，适用于对具有水力、水力学性质尺寸效应的岩体结构面进行大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值的场合。

(二)背景技术

在本发明作出之前，目前尚没有大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值方法。岩体工程实践中，由于成本高、工期长、困难大，很少开展大尺度岩体结构面力学、水力学试验，通常进行小尺度(一般10cm×10cm至20cm×20cm)的室内力学、水力学性质试验以提供岩体结构面的力学、水力学性质指标。而岩体结构面力学、水力学性质具有尺寸效应性质，由于没有岩体结构面力学、水力学性质取值方法，根据小尺度室内力学、水力学性质试验结果，又无法确定大尺度结构面的力学、水力学性质指标，使小尺度室内力学、水力学试验结果很难经过尺寸效应折减直接应用于工程岩体稳定性评价计算。

(三)发明内容

本发明的目的是解决没有大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值方法的缺点，提供一种原理简单，操作方便，成本低廉，使用效果好，便于在小尺寸结构面上进行大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值的方法。

本发明所述的大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值方法，包含以下顺序步骤：

(1)在小尺寸岩体结构面上，对应所需测量方向均匀布置统计所需数目的长度分别为10cm和30cm的测段，采用轮廓曲线仪绘制上述测段的轮廓曲线；

(2)测量上述10cm测段的每个轮廓曲线的起伏幅度R_y0，由公式 ${\mathrm{JRC}}_0=49.2114e^{\frac{29}{450}}\arctan \left[\frac{{4R}_{y0}}{5}\right]$ 分别计算每个10cm测段粗糙度系数JRC₀值，根据每个10cm测段不同的粗糙度系数计算得到JRC₀的期望值E(JRC₀)；

(3)测量上述30cm测段的每个轮廓曲线的起伏幅度R_Y30，由公式 ${\mathrm{JRC}}_{30}=49.2114e^{\frac{29L_0}{{450L}_{30}}}\arctan \left[\frac{{8R}_{Y30}}{L_{30}}\right]$ 分别计算每个30cm测段粗糙度系数JRC₀值，根据每个30cm测段不同的粗糙度系数计算得到JRC₃₀的期望值E(JRC₃₀)；

(4)由JRC尺寸效应分形模型 $E\left({\mathrm{JRC}}_{30}\right)=E\left({\mathrm{JRC}}_0\right){\left[\frac{L_{30}}{L_0}\right]}^{-D},$ 换算得到岩体结构面JRC尺寸效应分维数D₃₀；

(5)将步骤(4)得到的JRC尺寸效应分维数D₃₀值代入相对JRC尺寸效应率公式 $f=\frac{{\left({0.1L}_n\right)}^{-D_0}-{({0.1L}_n-1)}^{-D_0}}{2^{-D_0}-1},$ 进行取样长度L_n与相对JRC尺寸效应率f的敏感性分析，得到L_n-f关系图，如图1所示。在L_n-f关系图上，取f＝5％时，L_n-f关系曲线上对应的取样长度即岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*。

(6)将步骤(5)确定的岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*，作为岩体结构面力学、水力学性质稳定阈值代入下列公式，就可以进行大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值。

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{peak}\left(n\right)}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{peak}\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D_1}---\left(1\right)$

$c_{\left(n\right)}=c_{\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D}---\left(3\right)$

$d_{\left(n\right)}=d_{\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D_4}---\left(4\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{peak}\left(n\right)}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{peak}\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D_5}---\left(5\right)$

$k_{s\left(n\right)}=k_{s\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D_6}---\left(6\right)$

$K_{\left(n\right)}=K_{\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D_7}---\left(7\right)$

上列各式中，τ、

、c、d、δ、k和K分别代表岩体结构面抗剪强度、岩体结构面峰值摩擦角、岩体结构面内聚力、岩体结构面峰值剪胀角、岩体结构面峰值剪位移、岩体结构面法向刚度和岩体结构面渗透系数，下标n代表大尺度岩体结构面的力学或水力学性质，0代表实验尺寸(即L₀＝10cm)时的结构面力学或水力学性质。D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆和D₇分代表岩体结构面抗剪强度、岩体结构面峰值摩擦角、岩体结构面内聚力、岩体结构面峰值剪胀角、岩体结构面峰值剪位移、岩体结构面法向刚度和岩体结构面渗透系数的尺寸效应分维数。

采用本发明具有以下优点：岩体结构面力学性质是稳定的力学性质，体现了岩体结构面力学性质的各质异性、各向异性、非均一性和尺寸效应，具有客观性和可靠性。将岩体结构面力学性质直接应用于工程岩体进行稳定性计算评价和渗透性分析，就可以得到客观、可靠的工程岩体稳定性和渗透透性评价结果。大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值方法原理简单，由于只需在小尺寸(30cm×30cm)岩体结构面上进行粗糙度系数的统计测量而非常容易实现，成本低廉，使用效果好，便于确定大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值，解决室内力学、水力学性质试验结果的尺寸效应折减取值问题，具有较大的实施价值和社会经济效益。

(四)附图说明

图1为L_n-f关系图

图2为小浪底SSE组节理L_n-f关系曲线

(五)具体实施方式

研究显示，岩体结构面力学、水力学性质的尺寸效应主要由粗糙度系数的尺寸效应引起，故可以将岩体结构面粗糙度系数稳定阈值作为岩体结构面力学、水力学性质稳定阈值，进行大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值。北山闪长岩节理取样尺寸为10cm至100cm的JRC统计测量结果发现，同一结构面相同方向不同取样尺寸的JRC尺寸效应分维数(D_n)具有相对稳定性，D_n值围绕某一特征值D_n ^*上下波动(即D_n ^*-δ≤D_n≤D_n ^*+δ，δ为残差，D_n ^*代表取样长度小于L_n范围内结构面的JRC尺寸效应分维数特征值)。将不同取样尺寸粗糙度系数的实测统计数据代入JRC尺寸效应分形模型 $D=-\frac{\lg \left[\frac{{\mathrm{JRC}}_n}{{\mathrm{JRC}}_0}\right]}{\lg \left[\frac{L_n}{L_0}\right]}$ 进行最小二乘回归分析可求取D_n ^*的值，将取样尺寸为L₃₀＝30cm粗糙度系数JRC₃₀的实测统计值代入JRC尺寸效应分形模型 $D_{30}=-\frac{\lg \left[\frac{{\mathrm{JRC}}_{30}}{{\mathrm{JRC}}_0}\right]}{\lg \left[\frac{L_{30}}{L_0}\right]}$ 可得到D₃₀的值，对J_1-1节理四个测量方向16个样本的D_n和D₃₀实测资料进行统计分析建立关系式D_n ^*＝0.897D₃₀。这个性质决定了可以用小尺度结构面粗糙度系数测量结果D₃₀来分析大尺度岩体结构面粗糙度系数的稳定阈值，进而评价大尺度岩体结构面力学、水力学性质的稳定性；北山闪长岩节理的研究结果显示，在L_n≤10⁶cm的范围内，JRC尺寸效应分维数特征值D_n ^*(可由D₃₀表示)受取样尺寸L_n变化的影响非常敏感，这种现象说明用JRC尺寸效应分维数指标(D₃₀)来确定粗糙度系数稳定阈值具有很高的灵敏度。上述两点发现证明了由D₃₀的测定来求取粗糙度系数稳定阈值的科学性和合理性，可通过粗糙度系数稳定阈值的求取来确定岩体结构面力学、水力学性质稳定阈值，进行大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值。

选取小浪底水库风雨沟西侧边坡岩体SSE组节理，根据387条取样长度分别为10cm和30cm轮廓曲线求得JRC₀、JRC₃₀统计测量值，以及由JRC尺寸效应分形模型换算的D₃₀值，结果列于表1。根据表1资料，分别绘制钙质细砂岩节理、含钙质结核粘土岩节理沿走向方向和沿倾向方向L_n-f关系曲线，如图2所示。由图2可求出，钙质细砂岩节理走向方向的岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*为120cm，如图2a所示，钙质细砂岩节理倾向方向的岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*为110cm，如图2b所示，含钙质结核粘土岩节理走向方向的岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n为150cm，如图2c所示，含钙质结核粘土岩节理倾向方向的岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*为160cm，如图2d所示。根据上述节理各方向的岩休结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*，就可以根据结构面室内力学、水力学试验结果，由公式(1)至公式(7)求取小浪底水库风雨沟西侧边坡岩体SSE组含钙质结核粘土岩和钙质细砂岩大尺度节理的力学、水力学性质各参数，作为工程岩体稳定性分析计算的依据。

表1  小浪底SSE组节理粗糙度系数统计测量结果

Claims (1)

1.一种岩体结构面力学、水力学性质取值方法，其特征在于包含以下顺序步骤：

(1)在小尺寸岩体结构面上，对应所需测量方向均匀布置统计所需数目的长度分别为10cm和30cm的测段，采用轮廓曲线仪绘制上述测段的轮廓曲线；

(2)测量上述10cm测段的每个轮廓曲线的起伏幅度R_y0，由公式 ${\mathrm{JRC}}_0=49.2114e^{\frac{29}{450}}\arctan \left[\frac{4R_{y0}}{5}\right]$ 分别计算每个10cm测段粗糙度系数JRC₀值，根据每个10cm测段不同的粗糙度系数计算得到JRC₀的期望值E(JRC₀)；

(3)测量上述30cm测段的每个轮廓曲线的起伏幅度Ry₃₀，由公式 ${\mathrm{JRC}}_{30}=49.2114e^{\frac{29L_0}{450L_{30}}}\arctan \left[\frac{8R_{Y30}}{L_{30}}\right]$ 分别计算每个30cm测段粗糙度系数JRC₃₀值，根据每个30cm测段不同的粗糙度系数计算得到JRC₃₀的期望值E(JRC₃₀)；

(4)由JRC尺寸效应分形模型 $E\left({\mathrm{JRC}}_{30}\right)=E\left({\mathrm{JRC}}_0\right){\left[\frac{L_{30}}{L_0}\right]}^{-D_{30}},$ 换算得到岩体结构面JRC尺寸效应分维数D₃₀；

(5)将步骤(4)得到的JRC尺寸效应分维数D₃₀值代入相对JRC尺寸效应率公式 $f=\frac{{\left(0.1L_n\right)}^{{-D}_{30}}-{({0.1L}_n-1)}^{{-D}_{30}}}{2^{-D_{30}}-1},$ 进行取样长度L_n与相对JRC尺寸效应率f的敏感性分析，得到L_n-f关系图，在L_n-f关系图上，取f＝5％时，L_n-f关系曲线上对应的取样长度即岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*；

(6)将步骤(5)确定的岩体结构面粗糙度系数稳定阈值L_n ^*，作为岩体结构面力学、水力学性质稳定阈值代入下列公式，就可以进行大尺度岩体结构面力学、水力学性质取值：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{peak}\left(n\right)}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{peak}\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D_1}---\left(1\right)$

$c_{\left(n\right)}=c_{\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{{-D}_3}---\left(3\right)$

$d_{\left(n\right)}=d_{\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{{-D}_4}---\left(4\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{peak}\left(n\right)}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{peak}\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{D_5}---\left(5\right)$

$k_{s\left(n\right)}=k_{s\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{-D_6}---\left(6\right)$

$K_{\left(n\right)}=K_{\left(0\right)}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_0}\right]}^{{-D}_7}---\left(7\right)$

上列各式中，τ、

c、d、δ_peak、k_s和K分别代表岩体结构面抗剪强度、岩体结构面峰值摩擦角、岩体结构面内聚力、岩体结构面峰值剪胀角、岩体结构面峰值剪位移、岩体结构面法向刚度和岩体结构面渗透系数，下标n代表大尺度岩体结构面的力学或水力学性质，0代表实验尺寸，即L₀＝10cm时的结构面力学或水力学性质；D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆和D₇分代表岩体结构面抗剪强度、岩体结构面峰值摩擦角、岩体结构面内聚力、岩体结构面峰值剪胀角、岩体结构面峰值剪位移、岩体结构面法向刚度和岩体结构面渗透系数的尺寸效应分维数。

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