一种各向异性特征的岩石结构面剪切强度评估方法

摘要

本发明涉及一种各向异性特征的岩石结构面剪切强度评估方法。其步骤包括：（1）获取岩石结构面三维形貌数据；（2）计算结构面各向异性特征参数SRv和起伏幅度参数A，并用SRv和A两参数表示三维岩体结构面各方向上的粗糙度；（3）测试同类型岩石结构面的壁面强度JCS和基本摩擦角；（4）将步骤（2）、（3）获得的结构面参数代入公式即可获得不同正应力下的峰值剪应力。本发明重在考虑结构面的各向异性特征，同时也克服了巴顿公式粗糙度系数JRC人为估值的缺陷，实现了快速准确地评价岩石结构面各个方向的剪切强度。

说明书

技术领域

本发明提供一种新的岩石结构面剪切强度评估方法，属于岩石力学领域范畴。

背景技术

天然岩石结构面是一个极其复杂的地质界面，其峰值抗剪强度一直是岩石力学界学者研究的热点。在过去的半个多世纪，国内外学者围绕结构面粗糙度的定量化表征，开展了其剪切强度力学性质的研究工作，取得了丰硕的成果。诸如Patton提出了剪胀、剪断效应双线性强度公式（PATTONFD．Multiplemodelofshearfailureinrock[C]//．ProceedingsoftheFirstCongressofInternationalSocietyofRockMechanics．Lisbon，1966：509-513）；Jaeger提出了剪胀效应逐渐过渡到剪断效应的剪切强度模型（JAEGERJC．FrictionofRocksandStabilityofRockSlopes[J]．Géotechnique，1971，21(2)：97-134）；沈明荣等提出了既有剪胀效应又有切齿效应的结构面剪切强度模型（沈明荣，张清照．规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2010，29(4)：713-719）；Barton和Choubey提出了至今仍广泛应用的JRC-JCS模型（BARTONN，CHOUBEYV.Theshearstrengthofrockjointsintheoryandpractice[J].RockMechanics，1977，10(1-2)：1–54）。这些剪切强度模型均未考虑结构面的各向异性特征。

实际上，粗糙的岩石结构面存在明显的各向异性特征，因此，其各个方向上的剪切力学行为也不相同。这一点，近年来被国内外学者高度关注。Grasselli等依据剪切试验现象，提出了结构面剪切方向最大倾角的概念，并给出了结构面上微凸体以张拉破坏为主的Grasselli剪切模型（GRASSELLIG，EGGERP．Constitutivelawfortheshearstrengthofrockjointsbasedonthree-dimensionalsurfaceparameters[J]．InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，2003，40(1)：25-40）；夏才初等在充分考虑Grasselli模型中参数的物理意义后，改进了Grasselli模型（XIACC，TANGZC，XIAOWM，etal．NewPeakShearStrengthCriterionofRockJointsBasedonQuantifiedSurfaceDescription[J]．RockMechanicsandRockEngineering，2014，47(2)：387-400）；夏才初、唐志成等在改进Grasselli模型的基础上，提出了能够显式反映节理峰值剪胀角的剪切强度模型（夏才初，唐志成，宋英龙．基于三维形貌参数的偶合节理峰值抗剪强度公式[J]．岩石力学与工程学报，2013，32(增1)：2833-2839）。这些模型虽然考虑了结构面形貌的各向异性特征（用起伏角表征），但忽略了结构面的起伏幅度这一特征。因此，结构面剪切方向最大倾角这一参数仍不能全面反映结构面的形貌特征。

文献（陈世江等．岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析[J]．岩石力学与工程学报，2015，34(1)：57-66）考虑岩体参数空间变异性特征，应用地质统计学原理，采用参数JRCv定量表征了三维岩石结构面的各向异性特征，JRCv的表达式为，式中C为变异函数的基台，a为变异函数的变程。研究结果表明，该法是一种表征岩石结构面粗糙度各向异性特征的好方法。但该法仍不能反映结构面的起伏幅度这一特征。

本发明在改进JRCv表征岩石结构面粗糙度各向异性的基础上，结合结构面起伏幅度参数对岩石结构面进行全面定量化描述，以此为基础，进一步开展结构面剪切力学特性的研究，这对工程岩石抗剪强度评价具有重要的理论与实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种各向异性特征的岩石结构面剪切强度评估方法，该方法重在考虑岩石结构面的各向异性特征及其起伏幅值的大小，可以快速准确地评价工程节理岩石结构面各个方向的剪切强度。

技术解决方案：

一种各向异性特征的岩石结构面剪切强度评估方法，其方法步骤如下：

（1）获取岩石试件结构面三维形貌数据，该数据反映的是结构面各点的高度信息，而某点高度是该点与结构面内最低点的落差；

（2）以岩石结构面三维数据为基础，计算结构面各向异性参数SRv和起伏幅值参数A；

（3）选取同类型结构面做不同正应力下的剪切试验，按照摩尔库伦准则计算结构面基本摩擦角；

（4）选取同类型的岩石试件进行单轴抗压试验，确定结构面壁面强度JCS；

（5）将参数SRv、A、、JCS代入

，即可计算出不同正应力对应的峰值剪应力。

进一步：步骤（2）岩石结构面三维形貌各向异性特征参数SRv计算具体步骤为：

①确定分析方向，以结构面三维数据为基础，按照变异函数公式

，

计算结构面分析方向上的点对，并分析随h变化的发展趋势，其中，为变异函数值，代表结构面x点处的起伏高度，i表示结构面内点的编号，h表示分析方向上两点的间距，表示分析方向上结构面内间隔为h的点对数；

②根据变异函数值随h变化的发展趋势，确定变异函数模型，应用最小二乘法进行变异函数模型拟合，确定模型参数变程a与基台C的值；

③根据变程a与基台C的物理含义，应用量纲分析法，给出公式，则SRv可由此公式进行计算；

④结构面各个方向的SRv值，通过重复步骤①—③获得。

进一步：步骤（2）岩石结构面起伏幅度参数A的计算，具体步骤为：

①以结构面三维形貌数据为基础，计算结构面上各点的平均高度，可按公式

进行计算，其中，为结构面上各点的平均高度，N为结构面内的所有点数；

②起伏幅度参数A可用公式表示，其中L为结构面分析方向上的长度，L₀为标准结构面的长度，L₀=100mm。

进一步：步骤（5）剪切强度公式

可按下列步骤获得：

①数字化Baton提出的十条节理标准剖面线；

②计算十条剖面线的参数SRv和A；

③应用最小二乘法，拟合JRC和参数SRv、A的关系，拟合结果为

；

④以Barton剪切公式为基础，结合步骤③的拟合结果，提出由参数SRv、A表达的岩石结构面剪切强度公式，其表达式为

。

本发明优点：

目前提出的剪切强度模型在岩石工程实践中发挥着重要的作用，但由于岩石结构面本身力学属性的复杂性，特别是其各向异性的存在，使得现有的强度模型难以准确全面地对岩石结构面剪切力学特性进行评估。实际上，在工程实践中，常用的是Barton在1977年提出的剪切强度公式，但该公式的主要缺陷是：①该公式不能够体现结构面剪切强度的各向异性特征；②公式中粗糙度系数JRC须人为进行估值，存在很大的主观性。

本发明以Barton剪切强度公式为基础，给出了由各向异性参数SRv和起伏幅度A表达的三维岩石结构面剪切强度公式。该公式重在考虑结构面的各向异性特征，同时也克服了Barton公式粗糙度系数JRC人为估值的缺陷，实现了快速准确地评价岩石结构面各个方向的剪切强度。

附图说明

图1为本发明考虑岩体结构面各向异性特征的剪切强度评估流程图；

图2为本发明结构面各向异性参数SRv计算流程图；

图3为本发明结构面起伏幅度参数A计算流程图；

图4为本发明水泥砂浆结构面形貌图。

具体实施方式

本实施例采用水泥、砂子材料人工制作类岩石结构面，其规格长×宽×高为100mm×100mm×100mm，以下结合附图实施步骤详细说明本发明的具体实施方式：

见图1是考虑岩体结构面各向异性特征的剪切强度评估流程图。

（1）结构面三维形貌信息数据获取

采用ShapeMetriX3D系统获取结构面形貌信息数据。该系统是奥地利Startup公司开发的一套岩体几何参数三维不接触摄影测量系统，其能够对岩石结构面起伏高度进行量测，从而可以获得岩石结构面三维空间坐标数据。

应用该系统对水泥砂浆试件结构面三维形貌数据信息进行采集，采集的数据以矩阵形式保存于Excel中，以便下一步计算分析。

（2）结构面粗糙度参数SRv和A的计算

按照图2计算步骤，对图4结构面四个方向的各向异性参数SRv进行计算。首先以该结构面三维形貌数据为基础，按照公式计算0o方向上的点对；然后通过分析随h变化的发展趋势，确定变异函数模型为球状模型，该模型具体函数表达式为

，通过拟合，确定模型参数a为6.133500mm，C为0.970075mm²；最后按照公式可计算SRv，其结果为0.227096。同理，按照上述步骤，可以计算90o，180o，270o这三个方向上的SRv值，计算结果见表1。

按照图3计算步骤，对图4结构面的起伏幅度参数A进行计算。首先以该结构面三维形貌数据为基础，按照公式计算结构面各点平均高度，计算结果为3.5mm；然后按照公式进一步计算参数A，因L=L₀=100mm，所以A=0.035。

（3）同类型结构面力学参数计算

结构面的基本摩擦角取相同岩性平直结构面的摩擦角，按照图1步骤（3）选取5个平整的水泥砂浆结构面做不同正应力下的剪切试验，试验数据见表3。

通过分析不同正应力下，平直结构面的剪应力，按照莫尔库伦准则，计算出该水泥砂浆结构面的内聚力和基本摩擦角。采用最小二乘法拟合结果为：内聚力为0.386MPa；，基本摩擦角。

结构面未遭风化的情况下，结构面壁面强度JCS用同类型岩石试件通过单轴抗压强度试验进行测定。按照图1步骤（4）选取3个同类型水泥砂浆试件，进行单轴抗压强度试验，经计算，该类型水泥砂浆结构面壁面强度JCS为7.6MPa。

（4）结构面各方向剪切强度评估

经上述计算，该结构面起伏幅度参数A为0.035，JCS为7.6MPa，，四个方向上的SRv分别为：0.227096，0.193989，0.289097，0.168062。将获得的参数带入公式

，即获得给定正应力条件下的四个方向上峰值剪应力。

若正应力为3MPa，由公式

可知四个方向上的峰值剪应力分别为1.200332MPa，1.175328MPa，1.238638MPa，1.152561MPa。

本实施例仅计算了图4结构面四个方向的SRv，若对其他方向上的SRv进行计算，则可以利用此强度公式进行相应方向上剪切强度的评估。

本发明也可采用三维激光扫描仪设备获取三维形貌特征数据。获得结构面形貌数据后就可以采用本发明提出的剪切强度公式进行结构面各方向剪切强度评估，该公式重在考虑结构面的各向异性特征，同时也克服了Barton公式粗糙度系数JRC人为估值的缺陷，为全面评价岩石结构面剪切强度特性提供一种方法。