CN117554214A - 一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于力学试验技术领域，公开了一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，包括以下步骤：步骤1、在待测岩体结构面上确定试体的轮廓线，并将布设于试体上的测力机构的初始数值记为试体的初始应力；步骤2、对轮廓线外的岩体依次进行分区域挖除，并在挖除每一个区域后，向试体施加法向应力，使测力机构测得的试体的应力与初始应力一致，得到待测试体；步骤3、对待测试体进行剪切试验，获得待测岩体结构面的抗剪强度。本发明提出的分序非爆破开挖试验支洞，用加载机构施加法向应力还原原始应力状态，使得结构面上的应力状态边卸载边加载，应力变化始终浮动在一个较小的范围内避免大幅卸荷引起的结构面内部结构性损伤，保证结构面的原始状态。

Description

一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法

技术领域

本发明公开了一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，属于力学试验技术领域。

背景技术

岩体由岩石和结构面组成，岩体中包含了大量的节理、裂隙、断层等结构面，结构面是岩体中的薄弱环节，它们破坏了岩体的连续性和完整性，劣化了岩体的工程性质，降低了岩体的强度，对岩体的变形和破坏起着控制作用，因此，岩体结构面的抗剪强度对于边坡稳定分析、基础滑动分析及地下洞室稳定性分析等领域均有重要意义。

岩体结构面抗剪强度是指岩体结构面抵抗外力剪切破坏的能力，工程上通常采用现场试验的方法测定岩体结构面的抗剪强度，采用现场试验的方式需沿着结构面对试验地段进行开挖或爆破，形成一定空间的工作面，对试样进行法向和切向加载，获得岩体结构面抗剪强度的参数；然而在开挖或爆破过程中，原本施加在岩体结构面上的原始应力突然释放引起卸荷扰动，造成岩体结构面的损伤，对岩体结构面的力学性质造成一定影响，导致现场试验无法真实反映结构面实际的力学性质。

在卸荷扰动环境下的岩体会表现出欠固结性，在宏观上表现为因卸荷导致的内部结构损伤引起的力学性能的降低，使得测得的抗剪强度结果与真实性偏差较大。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法以解决现有现场试验时开挖或爆破过程中，原本施加在岩体结构面上的原始应力突然释放造成卸荷扰动，造成岩体结构面的损伤的技术问题。为实现上述目的，本发明提出了一种工法，具体方案如下：

一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在待测岩体结构面上确定试体的轮廓线，并将布设于所述试体上的测力机构的初始数值记为所述试体的初始应力；

步骤2、对所述轮廓线外的岩体依次进行分区域挖除，并在挖除每一个区域后，向所述试体施加法向应力，使所述测力机构测得的所述试体的应力与所述初始应力一致，得到待测试体；

步骤3、对所述待测试体进行剪切试验，获得所述待测岩体结构面的抗剪强度。

优选的，所述步骤1具体包括：

步骤1.1、在勘探原位选定开展试验的岩体结构面，在所述岩体结构面上确定试体的轮廓线；

步骤1.2、在所述试体上布置测力机构，并将所述测力机构获取的初始数值记为所述试体的初始应力，所述测力机构的测力传感部件位于距离所述岩体结构面预设距离的所述试体表面。

优选的，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、挖除所述轮廓线外的第一区域的岩体，所述第一区域位于所述试体的法线方向上，在所述第一区域向所述试体施加第一法向应力，使所述试体的应力与所述初始应力一致；

步骤2.2、挖除所述轮廓线外的第二区域的岩体，向所述试体施加第二法向应力，使所述试体的应力与所述初始应力一致；

步骤2.3、重复步骤2.2，直至挖除所述轮廓线外的岩体，得到仅与所述岩体结构面连接的待测试体。

优选的，所述第一区域位于所述试体的上表面中间位置。

优选的，所述第一法向应力与所述第二法向应力通过同一加载机构加载。

优选的，所述步骤3具体包括：

步骤3.1、在初始法向应力下对所述待测试体进行剪切试验，获得初始剪切应力，所述初始法向应力与所述试体的初始应力一致；

步骤3.2、在所述待测试体上逐级增加法向应力，获取每一级法向应力对应的剪切应力；

步骤3.3、根据所述每一级法向应力及其对应的剪切应力，确定所述待测岩体结构面的抗剪强度。

优选的，所述待测试体的数量为多个。

优选的，所述步骤3具体包括：

步骤3.1、在初始法向应力下对多个所述待测试体进行剪切试验，对多个所述待测试体加载不同强度的法向应力；

步骤3.2、对多个所述待测试体分别进行剪切试验，获得其对应的剪切应力，根据多个所述待测试体的法向应力及其对应的剪切应力，确定所述待测岩体结构面的抗剪强度。

优选的，对所述轮廓线外的岩体依次进行分区域挖除，具体为：

采用水磨钻法对所述轮廓线外的岩体依次进行分区域挖除。

优选的，所述测力机构为静态应变测试仪；

所述静态应变测试仪的多个应变片垂直于所述岩体结构面方向均匀贴合在所述试体表面上。

有益效果：本发明提出的分序非爆破开挖试验支洞，并用加载机构施加压力还原原始应力状态，这样使得结构面上的应力状态边卸载边加载，应力变化始终浮动在一个较小的范围内，能够避免大幅度卸荷引起的结构面内部结构性损伤，尽可能保证了结构面的原始状态。

本发明提出的试验方法可以测量岩体结构面在原始应力状态下的抗剪强度参数，比起常规的试验方法获取的参数更能准确的指导工程设计和施工，从而避免了保守设计引起的工程投资、工程建设周期的浪费。

本实施例的试验方法仅需要制备一个试体，比起常规的试验方法需要至少五个试体，工作量减少80%，而且可以规避不同试体对应的岩体结构面内部状态的差异，从而降低试验成果的离散性，提高试验成果的精度，因此具有良好的经济性和可推广性。

附图说明

图1为本发明实施例中在待测岩体结构面上确定试体的轮廓线的示意图；

图2为本发明实施例中在试体上设置测力机构的示意图；

图3为本发明实施例中分为多个区域的支洞轮廓线的示意图；

图4为本发明实施例中在第一顺序区域设置加载机构的示意图；

图5为本发明实施例中获得的待测试体示意图；

图6为本发明实施例中在支洞内向试体设置切向加载设备示意图；

图7为本发明实施例中根据实测数据绘制的剪切应力—剪切位移曲线；

图8为本发明实施例中根据图7绘制的基于多级正应力的剪切应力—剪切位移曲线示意图；

图9为本发明实施例中绘制的正应力—剪切应力图示意图。

图中：1、勘探平洞洞壁；2、待测岩体结构面；3、轮廓线；3-1、待测试体；4、应变片；5、静态应变测试仪；6、支洞轮廓线；6-1、支洞；7、第一垫板；8、滚轴排；9、第一液压千斤顶；10、第一传力柱；11、第二垫板；12、第二液压千斤顶；13、第二传力柱；I、第一支洞。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

根据工程岩体试验方法标准中规范，在开挖支洞，获取试体时应减少对岩体结构面产生扰动和破坏，最大限度的保证岩体结构面的原始物理状态，能够从一定程度上较为准确的反映岩体结构面抗剪强度参数，但常规试验支洞开挖过程中，原本施加在岩体结构面上的原始应力释放了，这种卸荷扰动会带来岩体结构面的结构损伤，从而对其力学性质造成一定影响，因此这样获取的参数是卸荷扰动后结构面的抗剪强度，并非完完全全的原位试验，从而获得的抗剪强度进行相关设计会导致设计过于保守，从而增加工程投资、延长工程建设周期。

如图1-9所示，在一个实施例中，公开了一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，包括以下步骤：步骤1、在待测岩体结构面2上确定试体的轮廓线3，并将布设于所述试体上的测力机构的初始数值记为所述试体的初始应力；步骤2、对所述轮廓线3外的岩体依次进行分区域挖除，并在挖除每一个区域后，向所述试体施加法向应力，使所述测力机构测得的所述试体的应力与所述初始应力一致，得到待测试体3-1；步骤3、对所述待测试体3-1进行剪切试验，获得所述待测岩体结构面2的抗剪强度。

具体的，本实验方法中，在待测岩体结构面2上确定试体的轮廓线3，并将布设于所述试体上的测力机构的初始数值记为所述试体的初始应力，初始应力即看做试体的原始应力；随后对轮廓线3外的岩体依次进行分区域挖除，即挖除待测岩体结构面2上确定的试体周围的岩体，使试体仅与岩体结构面连接，在分区域挖除过程中，每一个区域的挖除完成后，均对试体施加法向应力，施加的法向应力使测力机构测得的试体的应力恢复至初始应力，即使其始终保持原始应力状态下，其中试体的应力为测力机构测得的数据。

进一步的，所述步骤1具体包括：步骤1.1、在勘探原位选定开展试验的岩体结构面，在所述岩体结构面上确定试体的轮廓线3；步骤1.2、在所述试体上布置测力机构，并将所述测力机构获取所述试体的初始应力，所述测力机构的测力传感部件位于距离所述岩体结构面预设距离的所述试体表面。

具体的，本实验方法中，如图1中所示，根据现场地质勘察，在勘探平洞洞壁1上选取拟开展试验的岩体结构面，即选定待测岩体结构面2，在选定的待测岩体结构面2上拟定试体的轮廓线3。具体的，图中所示轮廓线3为试体的外侧的侧表面轮廓线3，确定试体轮廓线3前，确定试体的尺寸，根据试体的尺寸拟定轮廓线3；具体的，本实验方法中试体的尺寸为50cm（长）×50cm（宽）×30cm（高）。

具体的，如图2所示，在试体上布设测力机构，测力机构的初始数值记为试体的初始应力。为保证测得的试体的初始应力最接近其原始应力，测力机构的测力传感部件距岩体结构面越近越好，因此预设距离越小越好。

进一步的，所述测力机构为静态应变测试仪5；所述静态应变测试仪5的测力传感部件即多个应变片4垂直于所述岩体结构面方向均匀贴合在所述试体表面上。

具体的，选定静态应变测试仪5作为测力机构，将静态应变测试仪5的多个应变片4均匀设置在试体的侧表面上，如图2所示，本实验方法中包括三个应变片4，均匀布设在试体的侧表面上，用于进一步提高测量准确性。通过静态应变测试仪5测得的应变量值为，记为初始应力。

进一步的，所述步骤2具体包括：步骤2.1、挖除所述轮廓线3外的第一区域的岩体，所述第一区域位于所述试体的法线方向上，在所述第一区域向所述试体施加第一法向应力，使所述试体的应力与所述初始应力一致；步骤2.2、挖除所述轮廓线3外的第二区域的岩体，向所述试体施加第二法向应力，使所述试体的应力与所述初始应力一致；步骤2.3、重复步骤2.2，直至挖除所述轮廓线3外的岩体，得到仅与所述岩体结构面连接的待测试体3-1。

具体的，在试体外的岩体上确定支洞轮廓线6，并根据支洞轮廓线6将支洞6-1的开挖区域分为多个区域，并确定多个区域的开挖顺序。随后，根据开挖顺序依次挖除岩体，在挖除第一顺序区域的岩体时，试体的应力发生变化，即测力机构测得的应变量值变为，随后在挖除第一顺序区域的岩体形成的第一支洞I内设置加载机构，加载机构向试体施加法向应力，使得测力机构测得的应变量值恢复至/>。重复上述步骤，直至支洞6-1挖除完成。其中，第一顺序区域位于试体的法线方向上，具体的，本实验方法中，位于试体的上表面。同时，需要了解的是，在挖除第二顺序区域的岩体后，向试体施加法向应力时，可采用第一支洞I内的加载机构加荷完成，也可采用在挖除第二顺序区域的岩体形成的第二支洞内继续设置另一个加载机构，其有利于向试体施加的法向应力更趋近于原始应力。

进一步的，所述第一法向应力与所述第二法向应力通过同一加载机构加载。

具体的，为简化试验过程，通过同一加载机构多级加荷实现向试体施加使其受力始终与初始应力一致的法向应力，即向试体施加使测力机构测得的应变量值始终为的法向应力。

进一步的，所述第一区域位于所述试体的上表面中间位置。

具体的，为保证同一加载机构加荷时测力机构多个应变片4的应变量值尽可能均匀，第一顺序区域位于试体上表面的中间位置。

进一步的，对所述轮廓线3外的岩体依次进行分区域挖除，具体为：采用水磨钻法对所述轮廓线3外的岩体依次进行分区域挖除。

具体的，如图3所示，本实验方法中，在勘探平洞洞壁1上根据试体的轮廓线3拟定支洞轮廓线6，根据支洞轮廓线6将支洞区域分为七个区域，依次分四次挖除，即分为I、II、III、IV四个顺序区域，为避免爆破等开挖方式对岩体结构面造成的扰动，本实验方法中，采用水磨钻法非爆破开挖，即“周边钻孔取芯切割，中心部分分块劈裂”的方法，使支洞6-1的开挖范围可控，且尽量减少扰动，水磨钻进尺为1.0m，以形成足够深度的工作空间。

本实验方法中，如图4所示，首先挖除第一顺序区域的岩体，所述第一顺序区域对应为I顺序区域，第一顺序区域挖除完成后，此时施加在岩体结构面上的应力释放，静态应变测试仪5测得的应变量值变为，此时在第一顺序区域内，试体的上表面采用水泥砂浆平整，安装加载机构，具体的，本实验方法中加载机构具体包括依次安装的第一垫板7、滚轴排8、第一液压千斤顶9、第一传力柱10等，通过第一液压千斤顶9对试体进行加压，使得静态应变测试仪5测得的应变量值从/>恢复至/>。

重复上述步骤，依次非爆破挖除第二顺序区域至第四顺序区域的岩体，各序挖除完成后，通过调整第一液压千斤顶9对试体的加压的方法，使静态应变测试仪5测得的应变量值恢复至。最后，将试体远离前侧表面的一侧表面按轮廓线3与岩体切断分离，得到仅底表面与岩体结构面连接的待测试体3-1。完成原始应力状态下的待测试体3-1的加工工作，如图5所示，此时，施加在待测试体3-1上的法向应力为/>，记为初始法向应力。

进一步的，所述步骤3具体包括：步骤3.1、在初始法向应力下对所述待测试体3-1进行剪切试验，获得初始剪切应力，所述初始法向应力与所述试体的初始应力一致；步骤3.2、在所述待测试体3-1上逐级增加法向应力，获取每一级法向应力对应的剪切应力；步骤3.3、根据所述每一级法向应力及其对应的剪切应力，确定所述待测岩体结构面2的抗剪强度。

具体的，如图6所示，本实验方法中，在试体的剪切方向依次安装第二垫板11、第二液压千斤顶12、第二传力柱13等切向加载设备，在初始法向应力即初始正应力下，开展剪切试验，获的初始剪切应力/>。待初始法向应力/>下的剪切强度/>稳定后，继续在待测试体3-1上通过第一液压千斤顶9增加正应力，使其达到第一级正应力/>，测量该级正应力下的抗剪强度/>，继续增加正应力，重复上述步骤，测量不同正应力/>、/>、/>条件下的抗剪强度/>、/>、/>。

具体的，本试验方法中，初始法向应力为0.67605 MPa，第一级正应力/>为0.93488 MPa，第二级正应力/>为1.13511 MPa，第三级正应力/>为1.31197 MPa，第四级正应力/>为1.48795 MPa。其在上述多级正应力下，根据本实验方法进行剪切试验，其对应剪切应力及剪切位移的汇总数据如表1所示，根据表1绘制剪切应力—剪切位移曲线，如图7所示。由图7可知，多级正应力/>、/>、/>、/>、/>分别对应的抗剪强度/>、/>、/>、/>、/>分别为0.4281 MPa、0.54 MPa、0.6521 MPa、0.7641 MPa、0.8761 MPa。根据图7绘制如图8所示的基于多级正应力的剪切应力—剪切位移曲线示意图。

表1

如图9所示，根据上述获得的不同应力状态下的正应力和其对应的剪切应力，绘制正应力—剪切应力图，根据图解法或最小二乘法拟合正应力和剪切应力的关系，获得原始应力状态下岩体结构面的抗剪强度曲线，即。

进一步的，所述待测试体3-1的数量为多个。

进一步的，所述步骤3具体包括：步骤3.1、在初始法向应力下对多个所述待测试体进行剪切试验，对多个所述待测试体3-1加载不同强度的法向应力；步骤3.2、对多个所述待测试体3-1分别进行剪切试验，获得其对应的剪切应力，根据多个所述待测试体3-1的法向应力及其对应的剪切应力，确定所述待测岩体结构面2的抗剪强度。

具体的，另一个实验方法中，包括多个待测试体3-1，多个待测试体3-1分别在不同应力状态下进行一组剪切试验，根据多组试验获得待测岩体结构面2的抗剪强度。

具体的，另一个试验方法中，包括多个待测试体3-1，每个待测试体根据本实验方法获得岩体结构面2的抗剪强度，多个待测试体3-1对应获得的多个抗剪强度互相校验，保证抗剪强度的准确度。

本实验方法中，采用一个待测试体3-1进行多级加荷剪切试验，相较于常规试验方法需要采用至少五个试体，其工作量大大减小，并且可以规避不同试体的对应的岩体结构面内部状态的差异，从而降低试验成果的离散性，提高试验成果的精度，具有良好的经济性和可推广性。

本发明提出的分序非爆破开挖试验支洞，并用加载机构施加压力还原原始应力状态，这样使得结构面上的应力状态边卸载边加载，应力变化始终浮动在一个较小的范围内，能够避免大幅度卸荷引起的结构面内部结构性损伤，尽可能保证了结构面的原始状态。

本发明提出的试验方法可以测量岩体结构面在原始应力状态下的抗剪强度参数，比起常规的试验方法获取的参数更能准确的指导工程设计和施工，从而避免了保守设计引起的工程投资、工程建设周期的浪费。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利的范围约束。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应该以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在待测岩体结构面上确定试体的轮廓线，并将布设于所述试体上的测力机构的初始数值记为所述试体的初始应力；

步骤2、对所述轮廓线外的岩体依次进行分区域挖除，并在挖除每一个区域后，向所述试体施加法向应力，使所述测力机构测得的所述试体的应力与所述初始应力一致，得到待测试体；

步骤3、对所述待测试体进行剪切试验，获得所述待测岩体结构面的抗剪强度。

2.根据权利要求1所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤1.1、在勘探原位选定开展试验的岩体结构面，在所述岩体结构面上确定试体的轮廓线；

步骤1.2、在所述试体上布置测力机构，并将所述测力机构获取的初始数值记为所述试体的初始应力，所述测力机构的测力传感部件位于距离所述岩体结构面预设距离的所述试体表面。

3.根据权利要求1所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、挖除所述轮廓线外的第一区域的岩体，所述第一区域位于所述试体的法线方向上，在所述第一区域向所述试体施加第一法向应力，使所述试体的应力与所述初始应力一致；

步骤2.2、挖除所述轮廓线外的第二区域的岩体，向所述试体施加第二法向应力，使所述试体的应力与所述初始应力一致；

步骤2.3、重复步骤2.2，直至挖除所述轮廓线外的岩体，得到仅与所述岩体结构面连接的待测试体。

4.根据权利要求3所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述第一区域位于所述试体的上表面中间位置。

5.根据权利要求3所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述第一法向应力与所述第二法向应力通过同一加载机构加载。

6.根据权利要求1所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3.1、在初始法向应力下对所述待测试体进行剪切试验，获得初始剪切应力，所述初始法向应力与所述试体的初始应力一致；

步骤3.2、在所述待测试体上逐级增加法向应力，获取每一级法向应力对应的剪切应力；

步骤3.3、根据所述每一级法向应力及其对应的剪切应力，确定所述待测岩体结构面的抗剪强度。

7.根据权利要求1所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述待测试体的数量为多个。

8.根据权利要求7所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3.1、在初始法向应力下对多个所述待测试体进行剪切试验，对多个所述待测试体加载不同强度的法向应力；

步骤3.2、对多个所述待测试体分别进行剪切试验，获得其对应的剪切应力，根据多个所述待测试体的法向应力及其对应的剪切应力，确定所述待测岩体结构面的抗剪强度。

9.根据权利要求1所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，对所述轮廓线外的岩体依次进行分区域挖除，具体为：

采用水磨钻法对所述轮廓线外的岩体依次进行分区域挖除。

10.根据权利要求2所述的原位岩体结构面抗剪强度的试验方法，其特征在于，所述测力机构为静态应变测试仪；

所述静态应变测试仪的多个应变片垂直于所述岩体结构面方向均匀贴合在所述试体表面上。