CN101042321A - 各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及解决由于没有各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法，本发明根据直剪试验方向的结构面抗剪强度确定潜在滑移破坏方向岩体结构面抗剪强度，提供一种原理简单，操作方便，成本低廉，使用效果好，便于确定潜在滑移破坏方向岩体结构面抗剪强度的方法。

Description

各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法

(一)技术领域

本发明涉及各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法，适用于根据直剪试验抗剪强度确定具有抗剪强度各向异性的岩体结构面抗剪强度的场合。

(二)背景技术

在本发明作出之前，尚没有各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法。岩体结构面抗剪强度具有各向异性和尺寸效应特征，任意选取结构面直剪试验方向进行直剪试验得到的抗剪强度值并不能客观地代表潜在滑移破坏方向岩体结构面的抗剪强度值。工程实践中，很难做到结构面直剪试验方向恰巧与结构面潜在滑移方向严格一致，更无法做到结构面直剪试验的试样尺寸刚好与工程岩体结构面的规模严格一致，由于没有各向异性结构面抗剪强度取值方法，无法根据直剪试验方向结构面试样的直剪试验结果，客观求取潜在滑移方向的岩体结构面抗剪强度值。在以往的工程实践中，人们通常将直剪试验结果人为地按70％的系数进行折减取值，用于工程岩体稳定性计算评价，这种方法既不科学又不合理。

研究表明，结构面抗剪强度与粗糙度系数具有很强的相关性，且结构面粗糙度系数尺寸效应规律与抗剪强度尺寸效应规律具有较好的一致性。因此，可以由直剪试验方向结构面的粗糙度系数定向统计值与潜在滑移破坏方向结构面的粗糙度系数定向统计值的相关性，以及粗糙度系数尺寸效应与抗剪强度尺寸效应的一致性来建立各向异性结构面抗剪强度取值方法。

(三)发明内容

本发明的目的是解决由于没有各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法，而无法根据直剪试验方向的结构面抗剪强度确定潜在滑移破坏方向岩体结构面抗剪强度的缺点，提供一种原理简单，操作方便，成本低廉，使用效果好，便于确定潜在滑移破坏方向岩体结构面抗剪强度的方法。

本发明所述的各向异常性结构面抗剪强度取值方法，包含以下顺序步骤：

(1)岩体结构面直剪试样取样前，在原位岩体结构面表面均匀布置测量方向，测量方向间隔为10°；

(2)对每一测量方向，分别按取样长度10cm和30cm均匀布置测量线段，各取样长度的测量线段数至少达到30段；对各测量线段进行结构面粗糙度系数测量，求得取样长度为10cm的结构面粗糙度系数统计值JRC₁₀和取样长度为30cm的结构面粗糙度系数统计值JRC₃₀，由JRC尺寸效应分形模型 ${\mathrm{JRC}}_n={\mathrm{JRC}}_0\·{\left[\frac{L_{30}}{L_{10}}\right]}^{-D_{30}}$ 求得各方向的D₃₀值，式中L₃₀＝30cm，L₁₀＝10cm，JRC_n为取样长度为L_n的岩体结构面的粗糙度系数，JRC₀为取样长度为L₁₀＝10cm岩体结构面的粗糙度系数，并由经验公式D^*＝k·D₃₀求得各方向结构面粗糙度系数尺寸效应分维数特征值D^*(k为经验系数，一般取0.95)；

(3)根据各方向的JRC₁₀和D^*值，按滑移破坏方向的结构面抗剪强度评定长度L_n ^*，L_n ^*代表滑移破坏方向的结构面抗剪强度评定长度；由公式 ${\mathrm{JRC}}_n={\mathrm{JRC}}_{10}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_{10}}\right]}^{-D^{*}}$ 计算在评定长度L_n ^*下的各方向结构面粗糙度系数；

(4)根据在评定长度L₁₀下的各方向结构面粗糙度系数JRC₁₀和在评定长度L_n ^*下的各方向结构面粗糙度系数JRC_n，作粗糙度系数JRC₁₀和JRC_n各向异性图；

(5)在粗糙度系数各向异性图上求得直剪试验方向的结构面粗糙度系数值JRC_10(试)和JRC_n(试)(JRC_10(试)为直剪试验方向取样长度为L₁₀＝10cm的岩体结构面粗糙度系数值，JRC_n(试)为直剪试验方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面粗糙度系数值)和滑移破坏方向的结构面粗糙度系数值JRC_10(滑)和JRC_n(滑)(所述的JRC_10(滑)为滑移破坏方向取样长度为L₁₀＝10cm的岩体结构面粗糙度系数值，JRC_n(滑)为滑移破坏向取样长度为L_n ^*的岩体结构面粗糙度系数值；)；

(6)由公式

计算直剪试验方向在评定长度L_n ^*下的结构面抗剪强度(τ_10(试)为直剪试验方向取样长度为L₁₀＝10cm的岩体结构面抗剪强度值，τ_n(试)为直剪试验方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面抗剪强度值)；

(7)由公式

计算滑移破坏方向在评定长度L_n ^*下的结构面抗剪强度(τ_n(试)为直剪试验方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面抗剪强度值，τ_n(滑)为滑移破坏方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面抗剪强度值)。

本发明的技术效果在于：原理简单，操作方便，成本低廉，使用效果好，便于确定潜在滑移破坏方向岩体结构面抗剪强度。

(四)附图说明

图1是粗糙度系数JRC₁₀和JRC_n各向异性图。

(五)具体实施方式

各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法，包含如下顺序步骤：

(1)岩体结构面直剪试样取样前，在原位岩体结构面表面均匀布置测量方向，测量方向间隔为10°；

(2)对每一测量方向，分别按取样长度10cm和30cm均匀布置测量线段，各取样长度的测量线段数至少达到30段；对各测量线段进行结构面粗糙度系数测量，求得取样长度为10cm的结构面粗糙度系数统计值JRC₁₀和取样长度为30cm的结构面粗糙度系数统计值JRC₃₀，由JRC尺寸效应分形模型 ${\mathrm{JRC}}_n={\mathrm{JRC}}_0\·{\left[\frac{L_{30}}{L_{10}}\right]}^{-D_{30}}$ 求得各方向的D₃₀值，并由经验公式D^*＝k·D₃₀求得各方向结构面粗糙度系数尺寸效应分维数特征值D^*(k为经验系数，一般取0.95)；

表1列出了小浪底硅质细砂岩节理直剪试验取样长度(L₀＝10cm)的粗糙度系数JRC₁₀测量统计结果。表2列出了小浪底硅质细砂岩节理取样长度L₀＝30cm的粗糙度系数JRC₃₀测量统计结果。表3是根据表1和表2资料由JRC尺寸效应分形模型 ${\mathrm{JRC}}_{30}={\mathrm{JRC}}_0\·{\left[\frac{L_{30}}{L_{10}}\right]}^{-D_{30}}$ 求得的各方向的D₃₀值。表3还给出了由公式D_n ^*＝0.95D₃₀得到的各方向结构面粗糙度系数尺寸效应分维数特征值D^*。

(3)根据各方向的JRC₁₀和D^*值，根据小浪底硅质细砂岩节理滑移破坏方向的结构面抗剪强度评定长度L_n ^*，(L_n ^*＝106cm)，由公式 ${\mathrm{JRC}}_n={\mathrm{JRC}}_{10}\·{\left[\frac{106}{10}\right]}^{-D^{*}}$ 计算在评定长度(L_n ^*＝106cm)下的各方向结构面粗糙度系数JRC_n列于表4。

(4)根据在评定长度L₁₀下的各方向结构面粗糙度系数JRC₁₀和在评定长度L_n ^*下的各方向结构面粗糙度系数JRC_n，作粗糙度系数JRC₁₀和JRC_n各向异性图；

(5)在粗糙度系数各向异性图上求得直剪试验方向的结构面粗糙度系数值JRC_10(试)和JRC_n(试)和滑移破坏方向的结构面粗糙度系数值JRC_10(滑)和JRC_n(滑)；

(6)由公式 计算直剪试验方向在评定长度L_n ^*下的结构面抗剪强度；

(7)由公式

计算滑移破坏方向在评定长度L_n ^*下的结构面抗剪强度。

图1是根据表1和表4资料绘制的粗糙度系数JRC₁₀和JRC_n各向异性图。由图1可知，直剪试验方向(0°)的粗糙度系数测量统计值JRC_0(试)为13.8，JRC_n(试)为8.1；潜在滑移方向(16.8°)的粗糙度系数JRC_n(滑)为7.1。五个10cm×10cm结构面试样的直剪试验抗剪强度τ_0(试)为τ_0(试)＝1.2922MPa，代入公式

求得直剪试验方向的岩体结构面抗剪强度τ_n(试)为τ_0(试)＝0.7585MPa，将τ_n(试)代入公式

求得潜在滑移方向的岩体结构面抗剪强度τ_n(滑)为τ_n(试)＝0.6648MPa。因此，小浪底硅质细砂岩取样长度L_n＝106cm节理沿潜在滑移方向的抗剪强度为0.6648MPa，此值即可作为边坡稳定性评价和加固处理方案设计的抗剪强度参数。

     表1节理表面12个方向JRC₁₀实测统计结果

     表2节理表面12个方向JRC₃₀实测统计结果

     表3节理表面12个方向D₃₀和D^*值

D*

0.2280

0.2269

0.2392

0.1771

0.2574

0.2368

0.2146

0.3098

0.3606

0.2157

0.1069

0.1348

0.1290

0.1867

0.1167

0.0874

0.1166

0.1812

                   表4节理表面12个方向JRC_n值

Claims (1)

1、一种各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法，包含如下顺序步骤：

(1)岩体结构面直剪试样取样前，在原位岩体结构面表面均匀布置测量方向，测量方向间隔为10°；

(2)对每一测量方向，分别按取样长度10cm和30cm均匀布置测量线段，各取样长度的测量线段数至少达到30段；对各测量线段进行结构面粗糙度系数测量，求得取样长度为10cm的结构面粗糙度系数统计值JRC₁₀和取样长度为30cm的结构面粗糙度系数统计值JRC₃₀，由JRC尺寸效应分形模型 ${\mathrm{JRC}}_n={\mathrm{JRC}}_0\·{\left[\frac{L_{30}}{L_{10}}\right]}^{{-D}_{30}}$ 求得各方向的D₃₀值，L₃₀＝30cm，L₁₀＝10cm，JRC_n为取样长度为L_n的岩体结构面的粗糙度系数，JRC₀为取样长度为L₁₀＝10cm岩体结构面的粗糙度系数，，并由经验公式D^*＝k·D₃₀求得各方向结构面粗糙度系数尺寸效应分维数特征值D^*(k为经验系数，一般取0.95)；

(3)根据各方向的JRC₁₀和D^*值，按滑移破坏方向的结构面抗剪强度评定长度L_n ^*，L_n ^*代表滑移破坏方向的结构面抗剪强度评定长度；由公式 ${\mathrm{JRC}}_n={\mathrm{JRC}}_{10}\·{\left[\frac{{L_n}^{*}}{L_{10}}\right]}^{{-D}^{*}}$ 计算在评定长度L_n ^*下的各方向结构面粗糙度系数；

(4)根据在评定长度L₁₀下的各方向结构面粗糙度系数JRC₁₀和在评定长度L_n ^*下的各方向结构面粗糙度系数JRC_n，作粗糙度系数JRC₁₀和JRC_n各向异性图；

(5)在粗糙度系数各向异性图上求得直剪试验方向的结构面粗糙度系数值JRC_10(试)和JRC_n(试)和滑移破坏方向的结构面粗糙度系数值JRC_10(滑)和JRC_n(滑)，所述的JRC_10(试)为直剪试验方向取样长度为L₁₀＝10cm的岩体结构面粗糙度系数值，JRC_n(试)为直剪试验方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面粗糙度系数值)；所述的JRC_10(滑)为滑移破坏方向取样长度为L₁₀＝10cm的岩体结构面粗糙度系数值，JRC_n(滑)为滑移破坏向取样长度为L_n ^*的岩体结构面粗糙度系数值；

(6)由公式

计算直剪试验方向在评定长度L_n ^*下的结构面抗剪强度，所述的τ_10(试)为直剪试验方向取样长度为L₁₀＝10cm的岩体结构面抗剪强度值，τ_n(试)为直剪试验方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面抗剪强度值；

(7)由公式

计算滑移破坏方向在评定长度L_n ^*下的结构面抗剪强度，所述的τ_n(试)为直剪试验方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面抗剪强度值，τ_n(滑)为滑移破坏方向取样长度为L_n ^*的岩体结构面抗剪强度值。