CN111366475B - 一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，包括以下步骤：进行工程地质分类；获取样本抗剪强度参数；获取样本颗分参数；获取所述碎粒型结构面及结构带的多元回归模型；当对待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数进行测试时，对所述待测区中碎粒型结构面及结构带进行类型判断并进行颗粒分析试验获取待测颗分参数；将所述待测颗分参数输入与所述待测区中碎粒型结构面及结构带类型相匹配的所述多元回归模型中获取待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数。本发明只需要对该碎粒型结构面及结构带进行简单的颗粒分析试验，就可以取代大型剪切试验获取抗剪强度，降低了成本，提高了测试效率。

Description

一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法

技术领域

本发明涉及岩土及水电工程领域，具体涉及一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法。

背景技术

作为特殊的岩体内部缺陷，软弱结构面的力学轻度明显低于围岩，一般填充有一定厚度软弱物质的结构面。

结构面的抗剪强度参数，是岩体抵抗剪切破坏能力的体现，是岩体的重要力学性质之一，也是水工建筑物及构筑物等设计的重要基础参数之一，一般主要通过现场试验(大尺寸直剪试验)来获取。这种试验需要经过选点扩帮、加工制样、仪器安装、加载试验、读数记录、统计分析等多个步骤，每一个环节都非常重要，成果来之相当不易。特别是软弱结构面，制作过程中很容易造成结构面扰动，其制样成功率较低，给试验工作带来了很大困难。因此，尽管现场大剪试验成果数据可靠性较好，但由于成本较高且周期较长，影响了工程设计中对结构面抗剪强度参数选用及时性，而基于类比试验成果的参数选用则具有准确性低和可靠性不足的弱点。基于此，有必要进行创新性探索。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中对碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数测定普遍采用现场大剪试验进行，成本较高且周期较长，目的在于提供一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，包括以下步骤：

S1：根据碎粒型结构面及结构带的参数对样本区中碎粒型结构面及结构带进行工程地质分类；S2：对样本区中每一类碎粒型结构面及结构带进行现场大剪抗剪强度试验测试获取样本抗剪强度参数；对样本区中每一类碎粒型结构面及结构带进行颗粒分析试验获取样本颗分参数；S3：将同一类所述碎粒型结构面及结构带的样本抗剪强度参数和所述样本颗分参数进行分析获取所述碎粒型结构面及结构带的多元回归模型；S4：当对待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数进行测试时，对所述待测区中碎粒型结构面及结构带进行类型判断并进行颗粒分析试验获取待测颗分参数；将所述待测颗分参数输入与所述待测区中碎粒型结构面及结构带类型相匹配的所述多元回归模型中获取待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数。

本发明应用时，发明人发现碎粒型结构面及结构带一般具备以下特性：这是一种在原有破裂面(如构造裂隙、卸荷裂隙等)周围岩体在局部应力的挤压错动作用下，外加地下渗流水的侵蚀淋滤(渗流水不仅能把地表附近细小的破碎物质带走，还能把周围岩石中易溶成分溶解带走。经过渗流水的物理和化学作用后，地表附近岩石逐渐失去其完整性、致密性，残留在原地的的则未被冲走又不易溶解的松散物质)、温度变化(热液作用)等多种因素等物理化学风化作用形成的具有一定厚度和延伸长度的“砂糖化”软弱面(带)，一般呈加剧风化状。由于挤压和风化作用，其原岩颗粒的形状和排列特征对于强度的影响并不大。正是由于在这种条件下，所以发明人创造性的发现通过粒径分析试验获取的参数可以准确的匹配于碎粒型结构面及结构带的抗剪强度，所以发明人确定了通过颗粒分析试验间接获取抗剪强度的方式。

本发明中碎粒型结构面及结构带主要包括碎粒型结构面和碎粒型结构带，

本发明中碎粒型结构面及结构带主要包括碎粒型结构面和碎粒型结构带，其中碎粒型结构带区别于一般意义上的结构面，一般是指延伸不规则，厚度较大(一般大于10cm)、甚至局部呈现透镜状形态的碎粒型不连续带。

首先，进行碎粒型结构面及结构带的工程地质分类，分类依据为碎粒型结构面及结构带的参数，这里所说的参数包括碎粒型结构面及结构带的宏观地质特征、矿物成分、组成及含量，不同孕育环境及影响因素等；其次由于发明人明确了抗剪强度和颗粒分析参数之间存在明确的映射关系，所以发明人进行了样本试验，样本试验完成后进行数据拟合生成多元回归模型后，就可以将该多元回归模型应用于其他碎粒型结构面及结构带的抗剪强度测量了；在进行其他碎粒型结构面及结构带的剪切强度测量时，只需要对该碎粒型结构面及结构带进行简单的颗粒分析试验，就可以取代大型剪切试验获取抗剪强度，降低了成本，提高了测试效率。

进一步的，步骤S1中所述碎粒型结构面及结构带的参数包括产状、延伸、起伏、优势方向、连通性、空间展布情况、带宽、地下水、风化、物质组成和矿物成分。

进一步的，所述样本抗剪强度参数包括黏聚力C和内摩擦角

所述样本颗分参数包括不均匀系数Cu和曲率系数Cc。

进一步的，根据下式获取不均匀系数Cu：

Cu＝d60/d10

式中d10为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占10％的粒径；d60为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占60％的粒径。

进一步的，根据下式获取曲率系数Cc：

Cc＝(d30×d30)/(d60×d10)

式中d10为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占10％的粒径；d30为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占30％的粒径；d60为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占60％的粒径。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，通过建立碎粒型结构面及结构带颗分试验参数与抗剪强度参数之间的多元回归模型，提出了一种可以利用颗分试验成果(如不均匀系数Cu及曲率系数Cc等)预测结构面抗剪强度参数(黏聚力C和内摩擦角

)的计算方法。利用该方法可以在付出较低成本的情况下，较为快速获得碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数，为区域范围内相同类型碎粒型结构面及结构带在工程建设层面内的参数选取提供可靠依据，增加了软弱结构面参数获得的手段，具有重要经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，包括以下步骤：

S1：根据碎粒型结构面及结构带的参数对样本区中碎粒型结构面及结构带进行工程地质分类；S2：对样本区中每一类碎粒型结构面及结构带进行现场大剪抗剪强度试验测试获取样本抗剪强度参数；对样本区中每一类碎粒型结构面及结构带进行颗粒分析试验获取样本颗分参数；S3：将同一类所述碎粒型结构面及结构带的样本抗剪强度参数和所述样本颗分参数进行分析获取所述碎粒型结构面及结构带的多元回归模型；S4：当对待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数进行测试时，对所述待测区中碎粒型结构面及结构带进行类型判断并进行颗粒分析试验获取待测颗分参数；将所述待测颗分参数输入与所述待测区中碎粒型结构面及结构带类型相匹配的所述多元回归模型中获取待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数。

本实施例实施时，发明人发现碎粒型结构面及结构带一般具备以下特性：这是一种在原有破裂面(如构造裂隙、卸荷裂隙等)周围岩体在局部应力的挤压错动作用下，外加地下渗流水的侵蚀淋滤(渗流水不仅能把地表附近细小的破碎物质带走，还能把周围岩石中易溶成分溶解带走。经过渗流水的物理和化学作用后，地表附近岩石逐渐失去其完整性、致密性，残留在原地的的则未被冲走又不易溶解的松散物质)、温度变化(热液作用)等多种因素等物理化学风化作用形成的具有一定厚度和延伸长度的“砂糖化”软弱面(带)，一般呈加剧风化状。由于挤压和风化作用，其原岩颗粒的形状和排列特征对于强度的影响并不大。正是由于在这种条件下，所以发明人创造性的发现通过粒径分析试验获取的参数可以准确的匹配于碎粒型结构面及结构带的抗剪强度，所以发明人确定了通过颗粒分析试验间接获取抗剪强度的方式。

首先，进行碎粒型结构面及结构带的工程地质分类，分类依据为碎粒型结构面及结构带的参数，这里所说的参数包括碎粒型结构面及结构带的宏观地质特征、矿物成分、组成及含量，不同孕育环境及影响因素等；其次由于发明人明确了抗剪强度和颗粒分析参数之间存在明确的映射关系，所以发明人进行了样本试验，样本试验完成后进行数据拟合生成多元回归模型后，就可以将该多元回归模型应用于其他碎粒型结构面及结构带的抗剪强度测量了；在进行其他碎粒型结构面及结构带的剪切强度测量时，只需要对该碎粒型结构面及结构带进行简单的颗粒分析试验，就可以取代大型剪切试验获取抗剪强度，降低了成本，提高了测试效率。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，步骤S1中所述碎粒型结构面及结构带的参数包括产状、延伸、起伏、优势方向、连通性、空间展布情况、带宽、地下水、风化、物质组成和矿物成分。

本实施例实施时，对碎粒型结构面及结构带进行宏观地质性状调查，主要包括产状、延伸、起伏、优势方向、连通性、空间展布情况、带宽、地下水、风化等基本指标，以及物质组成、矿物成分等。选取样本区内各类具代表性碎粒型结构面及结构带组成物，采用室内地球化学分析方法，测定矿物成分及含量。

如图2所示，g1、X7分别表示碎粒型结构面及结构带和卸荷裂隙，在进行分类时，碎粒型结构面及结构带与周围岩体相比具有明显条带状特征，物质组成一般表现为“砂糖化”，其表观强度明显弱于围岩；基于样本区内广泛的碎粒型结构面及结构带表观物质特征及颗分试验成果统计分析进行划分，也可基于调查区域内孕育环境、主要影响因素及形成演化过程对碎粒型结构面及结构带类型进行划分。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述样本抗剪强度参数包括黏聚力C和内摩擦角

所述样本颗分参数包括不均匀系数Cu和曲率系数Cc。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，根据下式获取不均匀系数Cu：

Cu＝d60/d10

式中d10为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占10％的粒径；d60为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占60％的粒径。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，根据下式获取曲率系数Cc：

Cc＝(d30×d30)/(d60×d10)

式中d10为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占10％的粒径；d30为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占30％的粒径；d60为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占60％的粒径。

本实施例实施时，由于遭受后期改造作用的程度不同(包括挤压错动、蚀变、淋滤等)，碎粒型结构面及结构带物质组成和含量产生相应的变化，进而导致其抗剪强度也有明显差异，这是采用颗分试验成果作为抗剪强度判断的前提条件；基于碎粒型结构面及结构带厚度方向强度变化的认识及试验过程中发生的剪切破坏方式，其剪切面主要沿碎粒型结构面及结构带组成物质内部发生。所以在本实施例中开展样本区内已经确定类型的碎粒型结构面及结构带的颗粒分析试验，并获得不均匀系数Cu及曲率系数Cc等相关数据结果。

同时在本实施例中，进行现场大剪试验时，采用平推法，试体尺寸50cm×50cm×25cm。千斤顶加载，模拟构筑物等对基岩的作用力，加载方向分为垂直于剪切面和平行于剪切面。结构面强度试验最大法向压力根据其承载能力进行了不同程度的调整。每个试体在第一次试验剪断后，再沿剪切面进行抗剪(摩擦)试验，因此，包含了抗剪断强度和抗剪强度两种情况。试验在天然状态下进行。现场大剪试验获得的抗剪强度或抗剪断强度参数较为真实、可靠，但成本较高、周期较长，故在具备条件情况下，也可采用其他方法，如室内微扰动样或重塑样的抗剪强度试验等获取接近真实值的抗剪或抗剪断强度参数。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，本实施例中，如图1所示，碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数取值方法，包括如下步骤：

(1)地质调查与测试：进行地质调查与测试，查明调查区内碎粒型结构面及结构带宏观地质性状和特征、矿物组成、特征及与两侧岩体的力学差异性，具体地包括以下步骤：

a.对勘探(平洞等)揭示或地表出露碎粒型结构面及结构带进行宏观地质性状调查，包括产状、延伸、起伏、优势方向、连通性、空间展布情况、带宽、地下水、风化等基本指标，以及物质组成、矿物成分等。

b.选取调查区内各类具代表性碎粒型结构面及结构带组成物质进行岩石磨片、X衍射试验，查明碎粒型结构面及结构带组成物质的矿物成分及含量；

(2)碎粒型结构面及结构带类型划分：根据地质调查与测试结果，针对调查区内具代表性的碎粒型结构面及结构带，从矿物成分、组成及含量，不用孕育环境及影响因素等角度，结合地质性状进行综合分析、归类，进而实施碎粒型结构面及结构带类型划分。

根据碎粒型结构面及结构带性状特征确认调查区内碎粒型结构面及结构带是否符合本发明所指特定碎粒型结构面及结构带条件，具体条件为：

a.具有一定规模(厚度)，且与两侧岩体存在明显的力学差异；

b.碎粒型结构面及结构带组成物质具有“砂糖化”特征或向“砂糖化”转化的趋势；

c.碎粒型结构面及结构带组成物质的颗粒形状和排列的表观各向异性特征不明显；

若具备，具体地对条件符合的碎粒型结构面及结构带进行类型划分；

(3)碎粒型结构面及结构带抗剪强度测试及碎粒型结构面及结构带组成物质组成试验：根据碎粒型结构面及结构带类型划分结果，对典型碎粒型结构面及结构带进行现场大型剪切试验；对调查区内具代表性的碎粒型结构面及结构带物质取样并进行颗分试验；

(4)建立碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数与颗分试验参数指标的多元回归分析模型，具体步骤为：

a.整理计算各类典型碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数，统计分析代表性碎粒型结构面及结构带组成物质的颗分试验获得不均匀系数Cu及曲率系数Cc等相关参数指标，其中应包含已进行现场大型剪切试验的典型碎粒型结构面及结构带；

b.通过数学分析，建立碎粒型结构面及结构带组成物质的不均匀系数Cu及曲率系数Cc等相关参数指标与抗剪强度指标(黏聚力C和内摩擦角

)间的多元回归模型，并求取模型的常数参数；

c.对于调查区域内未知抗剪强度参数的碎粒型结构面及结构带，仅通过颗分试验获得不均匀系数Cu及曲率系数Cc等相关参数，并带入上述回归模型，从而获得其抗剪强度参数。

以某水电站坝址去碎粒型结构面及结构带为例，将抗剪强度参数黏聚力C设定为因变量y，不均匀系数Cu和曲率系数Cc作为自变量X1和X2，使用数据分析中二元回归分析(其中置信度为95％)，可以得到如下多元回归模型：

y＝-0.2768+0.0173X1+0.14X2

在本实施例中，生成的多元回归模型指标见下表：

表1多元回归模型主要指标

方差分析

从上表中可以看到，抗剪强度参数中的黏聚力C与不均匀系数Cu和曲率系数Cc具有很好的相关性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据碎粒型结构面及结构带的参数对样本区中碎粒型结构面及结构带进行工程地质分类；

S2：对样本区中每一类碎粒型结构面及结构带进行现场大剪抗剪强度试验测试获取样本抗剪强度参数；对样本区中每一类碎粒型结构面及结构带进行颗粒分析试验获取样本颗分参数；

S3：将同一类所述碎粒型结构面及结构带的样本抗剪强度参数和所述样本颗分参数进行分析获取所述碎粒型结构面及结构带的多元回归模型；

S4：当对待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数进行测试时，对所述待测区中碎粒型结构面及结构带进行类型判断并进行颗粒分析试验获取待测颗分参数；

将所述待测颗分参数输入与所述待测区中碎粒型结构面及结构带类型相匹配的所述多元回归模型中获取待测区中碎粒型结构面及结构带的抗剪强度参数。

2.根据权利要求1所述的一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，其特征在于，步骤S1中所述碎粒型结构面及结构带的参数包括产状、延伸、起伏、优势方向、连通性、空间展布情况、带宽、地下水、风化、物质组成和矿物成分。

3.根据权利要求1所述的一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，其特征在于，所述样本抗剪强度参数包括黏聚力C和内摩擦角

所述样本颗分参数包括不均匀系数Cu和曲率系数Cc。

4.根据权利要求3所述的一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，其特征在于，根据下式获取不均匀系数Cu：

Cu＝d60/d10

式中d10为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占10％的粒径；d60为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占60％的粒径。

5.根据权利要求3所述的一种碎粒型结构面及结构带抗剪强度参数获取方法，其特征在于，根据下式获取曲率系数Cc：

Cc＝(d30×d30)/(d60×d10)

式中d10为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占10％的粒径；d30为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占30％的粒径；d60为颗粒分析试验中土的粒径累计曲线上过筛重量占60％的粒径。

Images