岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法研究
蔡毅#br#
(中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074)
Methods for estimating the roughness and the peak shear strength of rock discontinuities
CAI Yi
(Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei 430074,China)
摘要 结构面表面形态在一定程度上控制着岩体结构面抗剪强度等宏观力学特性。目前,已有的粗糙度评价方法可在一定程度上有效描述结构面起伏形貌特征,但亦存在一定不足。针对定法向荷载作用下完全吻合的结构面,开展结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法研究,为结构面稳定性评价提供依据。
(1) 提出了结构面三维粗糙度评价参数PAP,即结构面的所有潜在接触部分在垂直于剪切方向的面的投影面积与结构面水平投影面积之比为PAP。PAP不仅反映了结构面在剪切方向上的几何形态,更与结构面抗剪强度存在一定函数关系。基于PAP开展结构面的粗糙度评价分析,结果表明:PAP可表征结构面粗糙度的各向异性及点间距效应;且PAP分别与Grasselli法、反算法获得的粗糙度评价结果具有较好的线性相关性。
(2) 基于Patton模型推导了三维结构面单个“齿面”的抗剪强度估算公式,借鉴反算法之思想,提出了结构面粗糙度评价参数SFR。SFR指结构面所有潜在接触部分可提供的抗剪切力之和,与其水平投影面可提供的抗剪切力之比(假设结构面及其水平投影面的残余摩擦角一致)。实例研究表明:与坡度均方根Z2相比,基于SFR与反算法获得的64条轮廓线粗糙度评价结果具有更强线性相关性;SFR可表征结构面粗糙度的各向异性及点间距效应;选取的各人工结构面在相同剪切方向的SFR随法向荷载的增大而减小,此与反算法评价结构面粗糙度具有相似规律;与Grasselli法对比,基于SFR与反算法获得的粗糙度评价结果具有更强的线性相关性。
(3) 结合广泛应用于工程实践并符合莫尔库伦准则形式的JRC-JCS模型,根据6组(共30个)人工结构面表面形态测量数据及其直剪试验数据,提出了分别考虑PAP,SFR的结构面峰值抗剪强度估算模型,即PAP模型与SFR模型。针对30个人工结构面试样,其峰值抗剪强度试验值ttest与估算值tPAP,tSFR(由PAP模型、SFR模型估算)均具有强线性相关性;针对11个天然结构面试样,其峰值抗剪强度试验值ttest与估算值tPAP,tSFR亦均具有较强线性相关性;且抗剪强度估算值tPAP,tSFR与试验值ttest相对误差平均值davg分别为16.33%,15.32%;对比Grasselli模型、PAP模型、SFR模型获得的抗剪强度估算结果更接近试验值。
(4) 基于PAP,SFR开展鸡尾山滑坡滑动面粗糙度研究,结果表明:针对同一结构面样品,基于PAP,SFR获得的粗糙度评价结果具有较强相似性;不同结构面样品的粗糙度评价结果在一定程度上亦具有一致性(均沿剪切方向附近的粗糙程度最低)。基于PAP模型、SFR模型开展滑坡滑动面抗剪强度参数研究,结果表明:基于2个模型获得的滑动面抗剪强度参数较接近,并均介于前人提出的最大值与最小值之间。分别应用关键块体理论及数值模拟技术分析鸡尾山滑坡稳定性,进一步佐证了基于PAP模型及SFR模型估算结构面抗剪强度的可靠性。
关键词 :
岩石力学 ,
岩体结构面 ,
剪切破坏机制 ,
粗糙度评价 ,
峰值抗剪强度估算 ,
鸡尾山滑坡
[1]
于群丁1,2,王 萌1,肖源杰1,3,华文俊1,王小明1,王卫东1,3,陈晓斌1,3. 透水性基床级配碎石填料强度变形特性试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 614-630.
[2]
王 军1,2,3,卢文岩1,4,邢鲁义1,杨 光1,王志康2. 软岩巷道交岔点钢管混凝土组合支架支护技术研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 573-586.
[3]
张丰收1,2,李猛利1,2,张重远3,4,何满潮1,2,4,张盛生5,衡 德6. 高地应力下深部岩芯饼化裂缝发展规律及机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 533-542.
[4]
张 涛,蔚立元,鞠明和,李 明,苏海健,季浩奇. 基于PFC3D-GBM的晶体–单元体尺寸比对花岗岩动态拉伸特性影响分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 468-478.
[5]
郑程程1,贺 鹏1,王 刚1,孙尚渠1,王洪波1,徐 锋2,姜 枫1. 隧道裂隙岩体结构信息解译与危石垮塌空间展布规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 515-532.
[6]
王 伟1,2,赵毅鑫1,2,高艺瑞1,2,张 村1,2. 层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 433-445.
[7]
吴星辉1,2,3,蔡美峰1,2,3,任奋华1,2,3,孙景来4,郭奇峰1,2,3,武 旭4,张 杰1,2,3,张利伟1,2,3. 不同热处理作用下花岗岩纵波波速和导热能力的演化规律分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 457-467.
[8]
田 威1,2,余 宸1,王肖辉1,吴鹏飞1. 3D打印裂隙岩体动态力学性能及能量耗散规律初探 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3): 446-456.
[9]
李海波1,2,刘黎旺1,2,李晓锋1,刘 博1,2,李俊如1,2. 全伺服式中等应变率三轴试验系统的研制及应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(2): 217-227.
[10]
杨圣奇1,2,许帅博2,刘 振2. 深部盐水环境下砂岩力学及渗透特性试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(2): 292-304.
[11]
程卫民1,2,李怀兴1,2,刘义鑫1,2,王 刚1,2,黄启铭1,2. 真三维应力下煤岩水力润湿范围动态监测试验系统研制 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(2): 240-253.
[12]
雍 睿1,2,钟 祯1,杜时贵1,2,郑 爽1,章莹莹2. 岩体结构面基本摩擦角研究现状与展望 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(2): 254-270.
[13]
闫 晓1,2,靖洪文1,孙子正3,蔚立元1,张一鸣4. 统一管道–界面单元法的构建及其在水力压裂模拟中的应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(2): 305-318.
[14]
胡云进1,2,3,王小宇1,2,3,钟 振1,2,3,杨申东1,2,3,宋忠阳1,2,3. 变饱和度条件下粗糙岩石节理剪切强度特性的试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(2): 336-345.
[15]
刘新喜,李 玉,王玮玮,周炎明,成 磊,范子坚. 干湿循环作用下预制裂隙炭质页岩力学特性及强度准则研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(2): 228-239.