CN110887749A - 结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法 - Google Patents

结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法 Download PDF

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Abstract

一种结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，包括以下步骤：(1)依据待试验测试边坡的关键结构面，在其两侧采取M块大尺寸岩体样品，切割成大、中、小三种尺寸试样，进行物理力学参数测试；(2)进行三种尺寸数值模型的物理力学参数校正；(3)依据校正过的物理力学参数建立数值模型，布置应力监测点；(4)通过多次测量取平均的方法得到剪应力‑剪切位移曲线(5)测量高度方向上的主应力异常范围和裂隙分布范围；(6)获得长度均匀变化的系列尺寸试样的主应力异常范围和裂隙分布范围；(7)确定不同长度试样的最小高度。本发明提高石材的利用率、降低试验成本的同时保证了测试结果的精度，提高了试验结果的准确性和科学性。

Description

结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法
技术领域
本发明涉及一种结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，属于室内物理力学试验技术领域。
背景技术
近几年来，随着我国经济快速发展，一些关系到国计民生的大型建设项目如中西部大型水电工程、高速公路和高速铁路、深部资源开采、战略石油储备以及核电工程等相继实施，工程区岩体的稳定性及灾变问题相当突出，尤其大型露天矿山、水利等边坡的滑坡地质灾害，轻则严重影响生产，重则造成人员伤亡和设备及矿产资源的重大损失。大量文献研究表明，大型边坡地质灾害的根本原因多为其内部的硬性结构面在一定载荷作用下滑移，导致上覆岩体整体失稳，而结构面是否发生滑移是由其抗剪强度决定，以露天矿山边坡为例，只有当关键结构面受到的下滑力小于其抗剪强度时，边坡才可保持稳定性。然而，对于大型露天边坡而言，总体边坡、组合台阶边坡的关键结构面尺寸达数十米甚至上百米，由于结构面抗剪强度尺寸效应的存在，传统的小型室内剪切试验得到的结构面抗剪强度指标误差较大，因此，进行系列尺寸硬性结构面剪切试验，探究结构面抗剪强度的尺寸效应规律非常有必要。但如何确定硬性结构面上下盘尺寸，还存在以下问题：(1)国内外关于结构面上下盘尺寸的规范只针对小尺寸结构面，且大多采取经验值；(2)由于硬性结构面凸凹不平，剪切过程中会产生爬坡效应和切齿效应，进而导致结构面附近岩体中有应力集中现象，其影响范围与结构面长度密切相关；(3)若上下盘高度过大，则导致剑气过程中上下盘不稳定，产生安全隐患；反之，上下盘高度过小影响结构面的力学特性，导致抗剪强度测试结果不准确；(4)大型硬岩结构面上下盘取样非常困难，耗费大量人力物力财力，若不充分利用样品，则导致极大的浪费。因此，利用室内试验与数值模拟相结合的方法，确定系列尺寸硬性结构面剪切试验的上下盘尺寸非常有必要。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，能避免系列尺寸剪切试验的试样高度过大带来的材料浪费、安全隐患问题，又能避免试样高度过小带来的测试结果不准确问题，再者试样经过切割后多次利用能提高石材的利用率、降低试验成本的同时保证了测试结果的精度，提高了试验结果的准确性和科学性，为系列尺寸岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，所述方法包括以下步骤：
(1)依据待试验测试边坡的关键结构面，在其两侧采取M块大尺寸岩体样品，利用锯片切割成大、中、小三种尺寸试样，进行物理力学参数测试，包括密度、弹性模量、泊松比、粘结力、基本摩擦角、抗拉强度、无侧压强度和1MPa侧压强度σ1MPa；
(2)依据步骤(1)的物理力学参数，利用离散元程序UDEC和颗粒流程序PFC进行大、中、小三种尺寸数值模型的物理力学参数校正，其中UDEC模型的力学参数包括块体的尺寸、体积模量、剪切模量，节理的基本摩擦角、粘结力和抗拉强度；PFC模型的力学参数包括颗粒的尺寸、体积模量和剪切模量，接触面的法向刚度、切向刚度、粘结力、摩擦系数和抗拉强度；
(3)依据校正过的物理力学参数，利用UDEC和PFC程序，建立高为H、长为L1的数值模型，并布置多个应力监测点，进行1MPa法向载荷下的数值直剪试验，通过多次测量取平均的方法得到剪应力-剪切位移曲线；
(4)依据得到的剪应力-剪切位移曲线，通过曲线的峰值和斜率识别剪切力峰值点和残余强度阶段，利用UDEC程序提取峰值点的主应力云图，利用PFC程序提取残余强度阶段的裂隙分布图；
(5)根据主应力云图，测量高度方向上的主应力异常范围hA1，根据裂隙分布图，测量高度方向上的裂隙分布范围hB1；
(6)重复步骤(3)-(5)，获得长度均匀变化的系列尺寸Li试样的主应力异常范围hAi和裂隙分布范围hBi，分别得到映射集(Li，hAi)和(Li，hBi)，利用MATLAB软件开发最小二乘法计算程序，对上述映射集数据进行拟合处理，得到函数关系式如下：
hA＝f1(L) hB＝f2(L)
(7)根据步骤(6)得到的函数关系式和试样重复利用次数N，确定不同长度试样的最小高度Hmin如下，即确定系列尺寸硬性结构面剪切试验的上下盘尺寸(L，HL)
Hmin＝hA+N×hA＝f1(L)+Nf2(L) HL≥Hmin。
进一步，所述步骤(1)中，大尺寸试样的尺寸范围为50cm—100cm、中尺寸试样的尺寸范围为25cm—50cm、小尺寸试样的尺寸范围为5cm—10cm。
再进一步，所述步骤(3)中，剪应力和剪切位移是通过多次测量取平均的方法，计算公式如下，
Figure BDA0002301693520000031
式中，σ平为结构面所受的剪应力，MPa；σi为上下盘中各个监测点的剪应力，MPa；S平为结构面上盘的平均位移，mm；Si为上盘中各个监测点的剪切位移，mm。
更进一步，所述步骤(4)中，峰值点为最大剪应力所对应点(Sm，σmax)，残余强度阶段通过曲线的斜率确定，方法如下，
Figure BDA0002301693520000041
式中，K为剪应力-剪切位移曲线的斜率；σi为i点的剪应力；σj为j点的剪应力；ΔS为i、j两点间的剪切位移，ΔS≥1mm。
所述步骤(5)中，hA1是指大于σ1MPa的主应力分布范围的高度，hB1是指剪切裂隙和拉伸裂隙分布范围的高度。
所述步骤(6)中，随着Li的增大，其取值间距逐渐增大体如下：
100cm以内，间距为10cm，则Li取值分别为：10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、8cm、9cm和100cm；
100cm—200cm之间，间距为20cm，则Li取值分别为：120cm、140cm、160cm、180cm和200cm；
200cm—350cm之间，间距为30cm，则Li取值分别为：230cm、260cm、290cm、320cm和350cm；
350cm—500cm之间，间距为50cm，则Li取值分别为：350cm、400cm、450cm和500cm。
所述步骤(7)中，硬岩结构面凹凸落差不大，剪切过程中产生的裂隙范围有限，试样的重复利用是指，利用特制切割机和铣刀去除掉结构面附近的裂隙扩展区域，经过雕刻后再次进行剪切试验。
本发明的有益效果为：能避免系列尺寸剪切试验的试样高度过大带来的材料浪费、安全隐患问题，又能避免试样高度过小带来的测试结果不准确问题，再者试样经过切割后多次利用能提高石材的利用率、降低试验成本的同时保证了测试结果的精度，提高了试验结果的准确性和科学性，为系列尺寸岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据；对于大型露天矿山或井下煤矿减少投资、降低生产成本、保证开采安全有着重要的意义。
附图说明
图1是本发明的硬性结构面剪切试验监测点布置图，1-上盘剪切盒；2-上盘监测点；3-上盘；4-硬性结构面；5-下盘剪切盒；6-下盘；7-下盘监测点；8-剪切方向；
图2是本发明的剪应力-剪切位移曲线及峰值点、残余强度阶段示意图，1-峰值点；2-残余强度阶段；
图3是上盘应力异常范围和裂隙分布范围示意图，(a)是应力异常范围示意图；(b)是裂隙分布范围示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
参照图1～图3，一种结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，所述方法包括以下步骤：
(1)依据待试验测试边坡的关键结构面，在其两侧采取M块大尺寸岩体样品，利用锯片切割成大、中、小三种尺寸试样，进行物理力学参数测试，包括密度、弹性模量、泊松比、粘结力、基本摩擦角、抗拉强度、无侧压强度、1MPa侧压强度σ1MPa；
(2)依据步骤(1)的物理力学参数，利用离散元程序UDEC和颗粒流程序PFC进行大、中、小三种尺寸数值模型的物理力学参数校正，其中UDEC模型的力学参数包括块体的尺寸、体积模量、剪切模量，节理的基本摩擦角、粘结力、抗拉强度；PFC模型的力学参数包括颗粒的尺寸、体积模量、剪切模量，接触面的法向刚度、切向刚度、粘结力、摩擦系数、抗拉强度；
(3)依据校正过的物理力学参数，利用UDEC和PFC程序，建立高为H、长为L1的数值模型，如图1所示，并布置多个应力监测点，进行1MPa法向载荷下的数值直剪试验，通过多次测量取平均的方法得到剪应力-剪切位移曲线；
(4)依据得到的剪应力-剪切位移曲线，通过曲线的峰值和斜率识别剪切力峰值点和残余强度阶段，如图2所示，利用UDEC程序提取峰值点的主应力云图，利用PFC程序提取残余强度阶段的裂隙分布图；
(5)根据主应力云图，测量高度方向上的主应力异常范围hA1，根据裂隙分布图，测量高度方向上的裂隙分布范围hB1；
(6)重复步骤(3)-(5)，获得长度均匀变化的系列尺寸Li试样的主应力异常范围hAi和裂隙分布范围hBi，分别得到映射集(Li，hAi)和(Li，hBi)，利用MATLAB软件开发最小二乘法计算程序，对上述映射集数据进行拟合处理，得到函数关系式如下，
hA＝f1(L) hB＝f2(L)
(7)根据步骤(6)得到的函数关系式和试样重复利用次数N，确定不同长度试样的最小高度Hmin如下，即可确定系列尺寸硬性结构面剪切试验的上下盘尺寸(L，HL)
Hmin＝hA+N×hA＝f1(L)+Nf2(L) HL≥Hmin。
进一步，所述步骤(1)中，大尺寸试样的尺寸范围为50cm—100cm、中尺寸试样的尺寸范围为25cm—50cm、小尺寸试样的尺寸范围为5cm—10cm。
再进一步，所述步骤(3)中，剪应力和剪切位移是通过多次测量取平均的方法，计算公式如下，
Figure BDA0002301693520000061
式中，σ平为结构面所受的剪应力，MPa；σi为上下盘中各个监测点的剪应力，MPa；S平为结构面上盘的平均位移，mm；Si为上盘中各个监测点的剪切位移，mm。
更进一步，所述步骤(4)中，峰值点为最大剪应力所对应点(Sm，σmax)，残余强度阶段通过曲线的斜率确定，方法如下，
Figure BDA0002301693520000071
式中，K为剪应力-剪切位移曲线的斜率；σi为i点的剪应力；σj为j点的剪应力；ΔS为i、j两点间的剪切位移，ΔS≥1mm。
所述步骤(5)中，hA1是指大于σ1MPa的主应力分布范围的高度，hB1是指剪切裂隙和拉伸裂隙分布范围的高度。
所述步骤(6)中，随着Li的增大，其取值间距逐渐增大体如下：
100cm以内，间距为10cm，则Li取值分别为：10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、8cm、9cm和100cm；
100cm—200cm之间，间距为20cm，则Li取值分别为：120cm、140cm、160cm、180cm和200cm；
200cm—350cm之间，间距为30cm，则Li取值分别为：230cm、260cm、290cm、320cm和350cm；
350cm—500cm之间，间距为50cm，则Li取值分别为：350cm、400cm、450cm和500cm。
所述步骤(7)中，硬岩结构面凹凸落差不大，剪切过程中产生的裂隙范围有限，试样的重复利用是指，利用特制切割机和铣刀去除掉结构面附近的裂隙扩展区域，经过雕刻后再次进行剪切试验。
本实施例的方法能避免系列尺寸剪切试验的试样高度过大带来的材料浪费、安全隐患问题，又能避免试样高度过小带来的测试结果不准确问题，再者试样经过切割后多次利用能提高石材的利用率、降低试验成本的同时保证了测试结果的精度，提高了试验结果的准确性和科学性，为系列尺寸岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据；对于大型露天矿山或井下煤矿减少投资、降低生产成本、保证开采安全有着重要的意义。

Claims (7)

1.一种结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)依据待试验测试边坡的关键结构面，在其两侧采取M块大尺寸岩体样品，利用锯片切割成大、中、小三种尺寸试样，进行物理力学参数测试，包括密度、弹性模量、泊松比、粘结力、基本摩擦角、抗拉强度、无侧压强度和1MPa侧压强度σ1MPa；
(2)依据步骤(1)的物理力学参数，利用离散元程序UDEC和颗粒流程序PFC进行大、中、小三种尺寸数值模型的物理力学参数校正，其中UDEC模型的力学参数包括块体的尺寸、体积模量、剪切模量，节理的基本摩擦角、粘结力和抗拉强度；PFC模型的力学参数包括颗粒的尺寸、体积模量和剪切模量，接触面的法向刚度、切向刚度、粘结力、摩擦系数和抗拉强度；
(3)依据校正过的物理力学参数，利用UDEC和PFC程序，建立高为H、长为L1的数值模型，并布置多个应力监测点，进行1MPa法向载荷下的数值直剪试验，通过多次测量取平均的方法得到剪应力-剪切位移曲线；
(4)依据得到的剪应力-剪切位移曲线，通过曲线的峰值和斜率识别剪切力峰值点和残余强度阶段，利用UDEC程序提取峰值点的主应力云图，利用PFC程序提取残余强度阶段的裂隙分布图；
(5)根据主应力云图，测量高度方向上的主应力异常范围hA1，根据裂隙分布图，测量高度方向上的裂隙分布范围hB1；
(6)重复步骤(3)-(5)，获得长度均匀变化的系列尺寸Li试样的主应力异常范围hAi和裂隙分布范围hBi，分别得到映射集(Li，hAi)和(Li，hBi)，利用MATLAB软件开发最小二乘法计算程序，对上述映射集数据进行拟合处理，得到函数关系式如下：
hA＝f1(L) hB＝f2(L)
(7)根据步骤(6)得到的函数关系式和试样重复利用次数N，确定不同长度试样的最小高度Hmin如下，即确定系列尺寸硬性结构面剪切试验的上下盘尺寸(L，HL)
Hmin＝hA+N×hA＝f1(L)+Nf2(L) HL≥Hmin。
2.如权利要求1所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，大尺寸试样的尺寸范围为50cm—100cm、中尺寸试样的尺寸范围为25cm—50cm、小尺寸试样的尺寸范围为5cm—10cm。
3.如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，剪应力和剪切位移是通过多次测量取平均的方法，计算公式如下，
Figure FDA0002301693510000011
式中，σ平为结构面所受的剪应力，MPa；σi为上下盘中各个监测点的剪应力，MPa；S平为结构面上盘的平均位移，mm；Si为上盘中各个监测点的剪切位移，mm。
4.如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中，峰值点为最大剪应力所对应点(Sm，σmax)，残余强度阶段通过曲线的斜率确定，方法如下，
Figure FDA0002301693510000021
式中，K为剪应力-剪切位移曲线的斜率；σi为i点的剪应力；σj为j点的剪应力；ΔS为i、j两点间的剪切位移，ΔS≥1mm。
5.如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤(5)中，hA1是指大于σ1MPa的主应力分布范围的高度，hB1是指剪切裂隙和拉伸裂隙分布范围的高度。
6.如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中，随着Li的增大，其取值间距逐渐增大体如下：
100cm以内，间距为10cm，则Li取值分别为：10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、8cm、9cm和100cm；
100cm—200cm之间，间距为20cm，则Li取值分别为：120cm、140cm、160cm、180cm和200cm；
200cm—350cm之间，间距为30cm，则Li取值分别为：230cm、260cm、290cm、320cm和350cm；
350cm—500cm之间，间距为50cm，则Li取值分别为：350cm、400cm、450cm和500cm。
7.如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验试样尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤(7)中，硬岩结构面凹凸落差不大，剪切过程中产生的裂隙范围有限，试样的重复利用是指，利用特制切割机和铣刀去除掉结构面附近的裂隙扩展区域，经过雕刻后再次进行剪切试验。
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