长大软弱结构面强度参数的确定方法与流程

本发明涉及一种长大软弱结构面强度参数的确定方法。

背景技术：

对于迹长超过100m，起伏高度超过10cm的结构面，其强度参数往往与结构面起伏程度关系密切，但对于确定结构面强度参数的常规剪切试验，由于试验尺寸一般为0.5m×0.5m，试验成果无法反映结构面起伏特征对强度参数的贡献。

目前确定结构面强度参数主要依赖两种方法：(1)现场剪切试验；(2)经验方法，这两种方法适用于III级或IV级结构面的强度估计，对于结构面充填物较厚、结构面起伏程度较大的II级结构面，上述两种方法由于无法有效地考虑结构面的起伏特征，因此倾向于低估软弱结构面的强度参数。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种长大软弱结构面强度参数的确定方法，以有效地考虑结构面起伏对强度参数的贡献。

本发明所采用的技术方案是：一种长大软弱结构面强度参数的确定方法，其特征在于步骤如下：

a、针对露出地表的长大软弱结构，采用手工测量方法获得结构面露头的起伏特征；

b、开挖一定区域内长大软弱结构一侧的围岩；

c、采用三维数码照相技术采集开挖区域内结构面的空间起伏特征，生成空间曲面；

d、对比手工测量和三维数码照相技术采集的结构面粗糙度，若粗糙度差值小于2，则采用所生成的空间曲面作为后续分析的基础；若粗糙度差值超过2，则需要重新选定三维数码照相的区域，并再次进行测量，直至二者粗糙度差值小于2；

e、针对长大软弱结构开展现场剪切试验，获得结构面的粘聚力和摩擦角；

f、采用颗粒流方法根据现场的结构面形态和现场剪切试验成果，模拟剪切试验，通过吻合现场剪切试验获得的结构面的粘聚力和摩擦角，反演出柔弱充填物的颗粒流参数；

g、对所生成的空间曲面在水平方向上进行垂直切面，生成二维切面；

h、根据二维切面生成多种尺寸的试验模型，并采用反演的柔弱充填物的颗粒流参数，开展不同尺寸试验模型的数值剪切试验，获得不同尺寸试验的剪切位移-剪应力曲线，并获得各试验尺寸条件下的粘聚力和摩擦角；

i、将步骤h中不同尺寸条件下获得的粘聚力和摩擦角成果绘制成图表，其中横坐标采用试验尺寸，纵坐标采用黏聚力和摩擦角，采用负指数拟合获得试验尺寸为无穷大时的黏聚力和摩擦角，作为长大软弱结构面的强度参数。

步骤e中现场选择多个典型部位进行现场剪切试验；

若多个典型部位之间的粘聚力和摩擦角差异小于等于典型部位的粘聚力和摩擦角平均值的15％，则取该平均值为颗粒流反演的依据。

步骤b中开挖区域大于15m×15m；步骤c生成的空间曲面面积大于12m×12m。

步骤e中现场剪切试验的试验围压为0MPa～3MPa；步骤h中数值剪切试验的围压为0MPa～3MPa。

步骤e中现场剪切试验的试验尺寸为0.5m×0.5m。

步骤h中试验模型的尺寸包括0.5m，1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m直至12m。

步骤b采用精细爆破的方式开挖。

本发明的有益效果是：本发明通过现场剪切试验反演颗粒流参数，并通过三维数码照相技术采集结构面的空间起伏特征，建立不同尺寸模型，获得考虑尺寸效应的结构面强度参数，有效考虑结构面起伏对强度参数的贡献。

附图说明

图1为长大软弱结构面示意图。

图2为开挖围岩示意图。

图3为剪切试验示意图。

图4为试验尺寸与摩擦角关系图。

具体实施方式

本实施例为一种长大软弱结构面强度参数的确定方法，具体步骤如下：

a、针对所需研究长大软弱结构面，在野外选取不少于10m长的露出地表的结构面1(图1)，采用手工测量方法获得结构面1的起伏特征和充填厚度，要求测量精度不小于1cm。

b、如图2所示，在露出地表的结构面1内选择合适的位置，开挖结构面1一侧的围岩2，并确保结构面1的起伏形态不受破坏，要求开挖区域不小于15m×15m(L1>15)，要求爆破过程不能影响结软弱结构的空间起伏形态，爆破后，用高压水冲洗结构面1软弱充填物。

c、采用三维数码照相技术，对结构面1的空间起伏特征进行采集，生成不小于12m×12m的空间曲面。

d、对比手工测量和三维数码照相技术采集生成的结构面1粗糙度；若粗糙度差值小于2，则说明三维数码采集的成果具有良好的可信度，采用所生成的空间曲面作为后续分析的基础；

e、针对长大软弱结构面，现场选择3个典型部位，针对每个典型部位开展5组现场剪切试验(见图3)，试验尺寸0.5m×0.5m(图3中L2＝0.5m)；试验围压范围0MPa～3MPa，并获得3个典型部位的结构面的剪切强度(黏聚力和摩擦角)。试验后，对试验位置结构面的起伏特征进行精细的素描，获得其空间起伏特征，并要求误差不小于1cm。若3个典型部位的剪切强度差异不超过3个典型部位的剪切强度的平均值的15％，则取该平均值作为后续颗粒流方法反演的依据。

f、采用颗粒流方法模拟0.5m×0.5m的现场剪切试验，要求数值试验的空间起伏特征与现场剪切试验相一致，并且在0MPa～3MPa的围压条件下，通过吻合3个典型部位的平均剪切强度，反演出软弱充填物的颗粒流参数。

g、对所生成的空间曲面在水平方向上进行垂直切面，生成二维切面；

h、根据所生成的二维切面，生成不同尺寸的试验模型，试验尺寸包括0.5m，1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m直至12m，采用反演的软弱充填物的颗粒流参数，开展不同尺寸结构面1的数值剪切试验，每个尺寸开展5组试验，数值剪切试验的围压0MPa～3MPa，获得不同尺寸试验的剪切位移-剪应力曲线，并获得各试验尺寸条件下结构面1的黏聚力和摩擦角。

i、将步骤h中不同尺寸条件下获得的粘聚力和摩擦角成果绘制成图表，其中横坐标采用试验尺寸，纵坐标采用黏聚力和摩擦角(如图4)，采用负指数拟合获得试验尺寸为无穷大时的黏聚力和摩擦角，作为长大软弱结构面的强度参数。