CN104020054A - 一种层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法 - Google Patents

一种层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，适用于层状岩岩体中原生结构面和构造结构面。本发明原理简单，操作方便，成本低廉，使用效果好，便于确定层状岩岩体结构面抗剪强度，克服了以往未知结构面具体位置与潜在滑移方向条件下无法准确确定其抗剪强度的情况，具有较强的实用性。

Description

一种层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法
技术领域
本发明涉及一种层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，适用于层状岩岩体中原生结构面和构造结构面。
背景技术
现有技术中，尚未发现在未知结构面具体位置与潜在滑移方向的条件下确定层状岩岩体结构面抗剪强度的方法。目前，确定岩体结构面抗剪强度的试验方法主要有原位剪切和室内直剪试验方法，原位剪切试验成本高，实施难度大；室内直剪试验试样制备复杂。而且不论是原位剪切还是室内直剪试验，都需要提前确定结构面位置与潜在滑移方向，然后调整试验剪切位置和方向与其一致，但在工程实践中，很难做到剪切位置与结构面位置、剪切方向与结构面滑移方向严格一致。除上述试验方法外，还有考虑结构面粗糙度的各种估算方法，但由于层状岩岩体中原生结构面与构造结构面粗糙性系数较小，因此可看作平直结构面，确定其抗剪强度时可忽略粗糙度的影响。
研究表明，当岩体在完全无侧限条件下沿一组平直结构面滑动破坏时，破坏时轴心应力σ1与滑动面倾角β呈以下相关性，σ1=2cw/(1-tanφwcotβ)sin2β，式中cw为结构面粘聚力、φw为内摩擦角，同时结构面强度曲线服从摩尔库伦准则τ=cw+σtanφw，式中结构面法向应力σ可由力学分解得σ=S1σ1cosβ/S0，因此，可以由试样破坏时轴心应力与滑动面倾角的相关性及摩尔库伦准则来建立层状岩岩体结构面抗剪强度的确定方法。
发明内容
本发明的目的是解决在未知结构面具体位置与潜在滑移方向条件下，无法根据原位剪切与室内试验及其他估算方法确定层状岩岩体中原生结构面与构造结构面的抗剪强度的缺点，提供一种原理简单，操作方便，成本低廉，使用效果好，便于确定层状岩岩体结构面抗剪强度的方法。
本发明提供的一种层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，包括以下顺序步骤：
（1）利用钻孔岩芯取样，试样采用圆柱体，可制备成天然与饱和两种状态；
（2）利用岩石单轴无侧向抗压强度试验仪器操作，对试样进行无侧限单轴轴心加荷，测量记录加荷端面面积S1，加荷直至破坏，记录破坏时轴心应力σ1；
（3）测量和记录沿单一平直结构面滑动破坏试样的滑动面倾角β和滑动面面积S0；
（4）根据无侧限条件下岩体单结构面强度理论公式σ1=2cw/(1-tanφwcotβ)sin2β，将步骤（2）、（3）中记录的一组试样的σ1、S1、β和S0数据代入上式，建立一组含结构面粘聚力cw和内摩擦角φw的方程，由同一组结构面的两组方程联立，求解出cw、φw值；
（5）由力学分解，得结构面法向应力σ=S1σ1cosβ/S0，将步骤（2）、（3）中记录的一组试样的σ1、S1、β和S0数据代入上式，求得一组试样与破坏时轴心应力σ1对应的结构面法向应力σ；
（6）结构面抗剪强度符合摩尔库伦准则，将步骤（4）中确定的结构面粘聚力cw和内摩擦角φw与步骤（5）中确定的结构面法向应力σ代入摩尔库伦公式τ=cw+σtanφw确定结构面抗剪强度τ。
上述方法中：
步骤（1）中圆柱体试样的直径为3.5～5cm、高径比为2～2.5。
步骤（1）中天然状态试样采用蜡封处理，饱和状态试样采用浸水饱和24h以上处理。
步骤（2）中按0.5～1.0MPa的速度对试样进行无侧限单轴轴心加荷直至破坏。
步骤（2）中如试样采用天然状态蜡封处理，应在加荷前剥去腊封。
本发明的有益效果在于克服在未知结构面具体位置与潜在滑移方向条件下无法根据目前已有试验及估算方法确定层状岩岩体中原生结构面和构造结构面的抗剪强度的情况，提供了一种原理简单，操作方便，成本低廉，使用效果好，便于确定层状岩岩体结构面抗剪强度的方法。
附图说明
图1为沿单一平直结构面滑动破坏试样的平面示意图，图中AB面为滑动面（也为结构面）；σ1为试验加荷的轴心应力；β为滑动面倾角；σ为结构面法向应力。
图2为沿单一平直结构面滑动破坏试样的立体示意图，图中S1为加荷端面面积；S0为滑动面面积。
具体实施方式
下面以确定广东省梅州市客家小镇景区边坡工程中的层状岩岩体结构面抗剪强度为例详细说明本发明。在该工程中，岩体主要为层状砂岩，剪性节理发育，因边坡高陡，不具备结构面现场原位剪切试验条件，又因无法准确判定结构面位置与潜在滑移方向，未进行室内直剪试验，最后采用本发明方法确定结构面抗剪强度，取得很好的应用效果，该方法包括以下顺序步骤：
（1）采用金刚石钻头双管单动钻具、清水钻进取样，共取试样123组，试样制备为直径5cm，高10cm的圆柱体；将其中87组试样浸水饱和24h以上制备成饱和状态试样，将剩余36组试样采用蜡封处理制备为天然状态试样；取样和试样制备过程中，不允许人为扰动结构面；
（2）利用岩石单轴无侧向抗压强度试验仪器操作，对试样进行无侧限单轴轴心加荷，天然状态试样在加荷前剥去腊封，测量记录每组试样加荷端面面积S1，按0.5～1.0MPa的速度加荷直至破坏，记录每组试样破坏时轴心应力σ1；
（3）测量和记录沿单一平直结构面滑动破坏的每组试样（见图1、图2）的滑动面倾角β和滑动面面积S0，共测量记录87组试样；
（4）根据无侧限条件下岩体单结构面强度理论公式σ1=2cw/(1-tanφwcotβ)sin2β，将步骤（2）、（3）中记录的每一组试样的σ1、S1、β和S0数据代入上式，建立一组含结构面粘聚力cw和内摩擦角φw的方程，由同一组结构面的两组方程联立，求解出cw、φw值；
（5）由力学分解，得结构面法向应力σ=S1σ1cosβ/S0，将步骤（2）、（3）中记录的每一组试样的σ1、S1、β和S0数据代入上式，求得每一组试样与破坏时轴心应力σ1对应的结构面法向应力σ；
（6）将步骤（4）中确定的结构面粘聚力cw和内摩擦角φw与步骤（5）中确定的结构面法向应力σ代入摩尔库伦公式τ=cw+σtanφw确定结构面抗剪强度τ；
（7）因该边坡工程中不同坚硬程度岩体内结构面抗剪强度值区别较大，而在相同坚硬程度岩体内数值较为相近，所以将按上述步骤确定的结构面抗剪强度值τ根据结构面两侧岩石坚硬程度进行分类统计，结果见表1、表2。
表1  岩体结构面饱和抗剪强度统计表
表2  岩体结构面天然抗剪强度统计表
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而己，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：
（1）利用钻孔岩芯取样，试样采用圆柱体，可制备成天然与饱和两种状态；
（2）利用岩石单轴无侧向抗压强度试验仪器操作，对试样进行无侧限单轴轴心加荷，测量记录加荷端面面积S1，加荷直至破坏，记录破坏时轴心应力σ1；
（3）测量和记录沿单一平直结构面滑动破坏试样的滑动面倾角β和滑动面面积S0；
（4）根据无侧限条件下岩体单结构面强度理论公式σ1=2cw/(1-tanφwcotβ)sin2β，将步骤（2）、（3）中记录的一组试样的σ1、S1、β和S0数据代入上式，建立一组含结构面粘聚力cw和内摩擦角φw的方程，由同一组结构面的两组方程联立，求解出cw、φw值；
（5）由力学分解，得结构面法向应力σ=S1σ1cosβ/S0，将步骤（2）、（3）中记录的一组试样的σ1、S1、β和S0数据代入上式，求得一组试样与破坏时轴心应力σ1对应的结构面法向应力σ；
（6）结构面抗剪强度符合摩尔库伦准则，将步骤（4）中确定的结构面粘聚力cw和内摩擦角φw与步骤（5）中确定的结构面法向应力σ代入摩尔库伦公式τ=cw+σtanφw确定结构面抗剪强度τ。
2.根据权利要求1所述的层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，其特征在于，步骤（1）中圆柱体试样的直径为3.5～5cm、高径比为2～2.5。
3.根据权利要求1所述的层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，其特征在于，步骤（1）中天然状态试样采用蜡封处理，饱和状态试样采用浸水饱和24h以上处理。
4.根据权利要求1所述的层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，其特征在于，步骤（2）中按0.5～1.0MPa的速度对试样进行无侧限单轴轴心加荷直至破坏。
5.根据权利要求1所述的层状岩岩体结构面抗剪强度确定方法，其特征在于，步骤（2）中如试样采用天然状态蜡封处理，应在加荷前剥去腊封。
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