一种各向异性特征的岩石结构面剪切强度评估方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002] 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（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提出了剪胀效应逐渐过渡到剪断效应的剪切强度模型 (JAEGER JC.Friction of Rocks and Stability of Rock Slopes [J].Geotechnique, 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（BARTON N，CH0UBEY V. The shear strength of rock joints in theory and practice [J]. Rock Mechanics，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。
[0003] 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（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);夏才初等在充分考虑Grasselli模型中参数的物理意义后，改进了Grasselli模型(XIA CC，TANG ZC，XIA0 丽，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。
[0004] 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 及次：％ = / ?，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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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A ; (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、氣、JCS代入
即可 计算出不同正应力f η对应的峰值剪应力^。
[0008] 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，Z 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①一③获得。
[0009] 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
.'I 1进行计算，其中， 9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
t示，其中L为结构面分析方向上的 长度，Lo为标准结构面的长度，L〇=100mm。
[0010] 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剪切公另
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
[0011]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。
[0012]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