一種各向異性特征的巖石結構面剪切強度評估方法
【技術領域】
[0001]本發明提供一種新的巖石結構面剪切強度評估方法，屬于巖石力學領域范疇。
【背景技術】
[0002] 天然巖石結構面是一個極其復雜的地質界面，其峰值抗剪強度一直是巖石力學界 學者研究的熱點。在過去的半個多世紀，國內外學者圍繞結構面粗糙度的定量化表征，開展 了其剪切強度力學性質的研究工作，取得了豐碩的成果。諸如Patton提出了剪脹、剪斷效應 雙線性強度公式（PATTON FD.Multiple model of shear failure in rock[C] //· Proceedings of the First Congress of International Society of Rock Mechanics. Lisbon ,1966:509-513); Jaeger提出了剪脹效應逐漸過渡到剪斷效應的剪切強度模型 (JAEGER JC.Friction of Rocks and Stability of Rock Slopes [J].Geotechnique, 1971,21(2):97-134);沈明榮等提出了既有剪脹效應又有切齒效應的結構面剪切強度模型 (沈明榮，張清照.規則齒型結構面剪切特性的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報， 2010，29(4): 713-719) ;Barton 和Choubey提出 了至今仍廣泛應用的JRC-JCS模型（BARTON N，CH0UBEY V. The shear strength of rock joints in theory and practice [J]. Rock Mechanics，1977，10(1-2): 1-54)。這些剪切強度模型均未考慮結構面的各向異性特 征。
[0003] 實際上，粗糙的巖石結構面存在明顯的各向異性特征，因此，其各個方向上的剪切 力學行為也不相同。這一點，近年來被國內外學者高度關注。Grasselli等依據剪切試驗現 象，提出了結構面剪切方向最大傾角的概念，并給出了結構面上微凸體以張拉破壞為主的 Grasselli剪切模型（GRASSELLI G，EGGER P.Constitutive law for the shear strength of rock joints based on three-dimensional surface parameters [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2003,40(1)：25-40);夏才初等在充分考慮Grasselli模型中參數的物理意義后，改進了Grasselli模型(XIA CC，TANG ZC，XIA0 麗，et al.New Peak Shear Strength Criterion of Rock Joints Based on Quantified Surface Description[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2014,47(2) :387-400);夏才初、唐志成等在改進Grasselli模型的基礎上，提 出了能夠顯式反映節理峰值剪脹角的剪切強度模型（夏才初，唐志成，宋英龍.基于三維形 貌參數的偶合節理峰值抗剪強度公式[J].巖石力學與工程學報，2013,32(增1):2833-2839)。這些模型雖然考慮了結構面形貌的各向異性特征（用起伏角表征），但忽略了結構面 的起伏幅度這一特征。因此，結構面剪切方向最大傾角這一參數仍不能全面反映結構面的 形貌特征。
[0004] 文獻(陳世江等.巖體結構面粗糙度各向異性特征及尺寸效應分析[J].巖石力學 與工程學報，2015,34 (1):57-66)考慮巖體參數空間變異性特征，應用地質統計學原理，采 用參數JRCv定量表征了三維巖石結構面的各向異性特征，JRCv的表達式為 及次：％ = / ?，式中C為變異函數的基臺，a為變異函數的變程。研究結果表明，該法是 一種表征巖石結構面粗糙度各向異性特征的好方法。但該法仍不能反映結構面的起伏幅度 這一特征。
[0005] 本發明在改進JRCv表征巖石結構面粗糙度各向異性的基礎上，結合結構面起伏幅 度參數對巖石結構面進行全面定量化描述，以此為基礎，進一步開展結構面剪切力學特性 的研究，這對工程巖石抗剪強度評價具有重要的理論與實際應用價值。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種各向異性特征的巖石結構面剪切強度評估方法，該方 法重在考慮巖石結構面的各向異性特征及其起伏幅值的大小，可以快速準確地評價工程節 理巖石結構面各個方向的剪切強度。
[0007] 技術解決方案： 一種各向異性特征的巖石結構面剪切強度評估方法，其方法步驟如下： (1) 獲取巖石試件結構面三維形貌數據，該數據反映的是結構面各點的高度信息，而某 點高度是該點與結構面內最低點的落差； (2) 以巖石結構面三維數據為基礎，計算結構面各向異性參數SRv和起伏幅值參數A; (3) 選取同類型結構面做不同正應力下的剪切試驗，按照摩爾庫倫準則計算結構面基 本摩擦角A ; (4) 選取同類型的巖石試件進行單軸抗壓試驗，確定結構面壁面強度JCS; (5) 將參數SRv、A、氣、JCS代入
即可 計算出不同正應力f η對應的峰值剪應力^。
[0008] 進一步:步驟(2)巖石結構面三維形貌各向異性特征參數SRv計算具體步驟為： ① 確定分析方向，以結構面三維數據為基礎，按照變異函數公式
計算結構面分析方向上的點對，并分析隨h變化的發展趨勢，其中， 為變異函數值，Z 代表結構面X點處的起伏高度，i表示結構面內點的編號，h表 示分析方向上兩點的間距，表示分析方向上結構面內間隔為h的點對數； ② 根據變異函數值/(//)隨h變化的發展趨勢，確定變異函數模型，應用最小二乘法進 行變異函數模型擬合，確定模型參數變程a與基臺C的值； ③ 根據變程a與基臺C的物理含義，應用量綱分析法，給出公式
，則 SRv可由此公式進行計算； ④ 結構面各個方向的SRv值，通過重復步驟①一③獲得。
[0009] 進一步:步驟(2)巖石結構面起伏幅度參數A的計算，具體步驟為： ① 以結構面三維形貌數據為基礎，計算結構面上各點的平均高度，可按公式
.'I 1進行計算，其中， 9結構面上各點的平均高度，N為 結構面內的所有點數； ② 起伏幅度參數A可用公式
t示，其中L為結構面分析方向上的 長度，Lo為標準結構面的長度，L〇=100mm。
[0010] 進一步:步驟(5)剪切強度公式
可按下列步驟獲得： ① 數字化Baton提出的十條節理標準剖面線； ② 計算十條剖面線的參數SRv和A; ③ 應用最小二乘法，擬合JRC和參數SRv、A的關系，擬合結果為
④ 以Barton剪切公另
為基礎，結合步驟③ 的擬合結果，提出由參數SRv、A表達的巖石結構面剪切強度公式，其表達式為
[0011]本發明優點： 目前提出的剪切強度模型在巖石工程實踐中發揮著重要的作用，但由于巖石結構面本 身力學屬性的復雜性，特別是其各向異性的存在，使得現有的強度模型難以準確全面地對 巖石結構面剪切力學特性進行評估。實際上，在工程實踐中，常用的是Barton在1977年提出 的剪切強度公式
，但該公式的主要缺陷是:①該 公式不能夠體現結構面剪切強度的各向異性特征;②公式中粗糙度系數JRC須人為進行估 值，存在很大的主觀性。
[0012]本發明以Barton剪切強度公式為基礎，給出了由各向異性參數SRv和起伏幅度A表 達的三維巖石結構面剪切強度公式。該公式重在考慮結構面的各向異性特征，同時也克服 了 Barton公