岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法研究

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。