一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法
【专利摘要】本发明公开一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，对岩体的结构面进行多次不同法向应力下的直接剪切试验，扫描并计算结构面剪切破损区域的有效面积，根据公式计算不同级法向应力下的有效平均法向应力σn和有效平均剪应力τn，并在σn?τn直角坐标系中绘出不同有效平均法向应力下有效平均剪应力的散点分布图，对有效平均剪应力散点数据进行线性拟合，根据拟合直线斜率的值，计算得到岩体结构面内摩擦角，然后根据拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，得到岩体结构面黏聚力。本发明通过采用有效剪切面积来衡量结构面的抗剪强度指标，能够真实的反应岩体结构面抗剪强度特性，对岩土工程施工与隐患治理方案的设计，安全性及经济性更可靠。
【专利说明】
一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩体力学分析领域，特别是涉及一种岩体结构面抗剪强度指标计算的 方法。
【背景技术】
[0002] 天然岩体中包含大量的节理、裂隙、断层等结构面，它们的存在破坏了岩体结构的 连续性和完整性，劣化了岩体的工程性质，降低了岩体的强度。研究成果表明，岩体强度及 变形特征主要受结构面的力学特性影响，尤其是抗剪强度，它常常是主导边坡、坝基等岩体 工程稳定的关键因素，而内摩擦角巾和黏聚力c是表征结构面抗剪强度的两个重要指标。其 中内摩擦角巾包含滑动摩擦和咬合剪断两种效应，其中咬合剪断受结构面起伏形态影响较 大，对于无凹凸起伏体的结构面，其主要以充填介质发生滑动摩擦的形式影响结构面抗剪 强度特性;黏聚力c则来源于充填介质颗粒之间的各种物理化学作用力，包括范德华力、胶 结作用力等。准确计算出岩体结构面抗剪强度指标的大小，对于评估岩土工程的安全性和 经济性有着十分重要的意义，因此，岩体结构面的峰值抗剪强度及其抗剪强度指标一直是 岩石力学界的科技工作者研究的热点。
[0003] 为了获得所分析岩体工程结构面抗剪强度指标的大小，结构面的直接剪切试验是 科技工作者的主要研究方法，它包括结构面的现场原位剪切试验和室内结构面模型的剪切 试验，无论基于哪种技术方法和手段，准确获得岩体工程结构面抗剪强度指标及其真实变 形规律是主要目的。在《工程岩体分级标准》(GB 50218-2014)的附录表D.0.2"岩体结构面 抗剪断峰值强度"中，在综合现场各类岩体结构面抗剪断试验成果基础上，给出了估计岩体 结构面抗剪强度指标的经验取值范围，对于一般规模较小、危害性不大的岩体工程，为节约 工程造价，降低成本，尚可不经试验测定，可以根据规范建议值依照经验确定结构面抗剪强 度指标来评估岩体工程稳定性，但是对于重大滑坡工程治理、深大露天矿边坡设计、水利水 电坝基稳定性评价等重大岩体工程，仅仅根据规范建议值进行设计与评价，显然是不可行 的，这时，就需要针对岩体原生结构面开展相关抗剪强度指标的测试工作。
[0004] 根据试验测试所得结构面峰值剪切推力，计算结构面抗剪强度，通过对不同法向 应力下结构面抗剪强度的线性拟合，可以获得反应结构面抗剪强度指标的黏聚力c与内摩 擦角~这也是基于直接剪切试验获得结构面抗剪强度指标的主要途径。目前，在计算结构 面剪应力并绘制剪应力-剪位移关系曲线时，都是以结构面全部发挥抗剪能力的假设来计 算，即计算整个结构面的平均剪应力，然而，观察试验后的结构面破坏形态发现:结构面发 生滑动时，摩擦痕迹并没有遍布整个结构面，只是在分布在局部区域上，且分布面积随结构 面法向应力的增大而增大，表明基于整个结构面发挥抗剪能力计算的平均剪应力并不能真 实反映结构面的抗剪工作状态，也就意味着，采用传统处理方法，通过直接剪切试验获得的 抗剪强度指标并不准确，毫无疑问，基于这些并不准确的抗剪强度指标设计的重大岩土工 程，必然会存在极大安全隐患。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，用于准确计算岩 体结构面的抗剪强度指标，并评估结构面抗剪能力，用于岩土工程施工及安全隐患治理方 案的设计。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007] 本发明提供了一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，包括以下步骤：
[0008] (1)进行不同法向应力下岩体结构面的直接剪切试验，每次剪切试验后，对结构面 破坏后形态进行扫描，扫描完成后，结构面复位，进行下一级法向应力下的结构面直接剪切 试验，直至试验完成；
[0009] (2)分析结构面扫描影像文件，在所述影像文件中标记出结构面剪切破损区域，并 计算结构面剪切破损的有效区域面积A' ；
[0010] (3)基于每级法向应力下岩体结构面的法向荷载P、峰值剪切推力T和结构面剪切 破损有效区域的面积A'，根据以下公式计算不同级法向应力下的有效平均法向应力 〇"和有 效平均剪应力Tn:
[0013] ⑷以有效平均法向应力0"为横坐标，有效平均剪应力^为纵坐标，绘制〇n- Tn直角 坐标系；
[0014] (5)在直角坐标系中绘出不同有效平均法向应力~下有效平均剪应力h散点分布 图；
[0015] (6)对有效平均剪应力散点数据进行线性拟合，得到拟合方程\ tan( )+f；
[0016] (7)根据拟合直线的斜率tan()的值，计算得到岩体结构面内摩擦角
[0017] (8)根据拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，得到岩体结构面黏聚力c。
[0018]优选的，步骤(1)所述每次剪切试验后，是指每一级法向应力下的结构面直接剪切 试验后；
[0019] 优选的，步骤(1)所述结构面复位，是指将剪断错位后的结构面恢复到剪切试验前 的位置；
[0020] 优选的，步骤(1)所述直至试验完成，是指完成所有设定法向应力下的结构面直接 剪切试验；
[0021] 优选的，步骤(2)所述扫描影像文件，能清晰判定结构面发生摩擦破损的区域及其 轮廓；
[0022] 优选的，步骤(2)计算剪切破损有效区域的面积A'，具体包括分析每级法向应力下 的结构面扫描影像，并在绘图软件中分别标记出结构面轮廓线、破损区域轮廓线，同时计算 结构面剪切破损有效区域的面积A' ；
[0023] 优选的，步骤(8)拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，所述纵坐标的横坐标值为 零，即on=0〇
[0024] 本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：
[0025] 1.通过用有效剪切面积来衡量结构面的抗剪强度指标，获得的抗剪强度指标能够 真实的反应岩体结构面抗剪强度特性；
[0026] 2.实施过程中，在原有直接剪切试验基础上，增加的测试与分析工作有限；
[0027] 3.基于本发明获得结构面抗剪强度指标进行的岩土工程施工与隐患治理方案设 计，安全性及经济性更可靠；
[0028 ] 4.岩体结构面破坏形态的扫描设备容易获取。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。
[0030] 图1为本发明岩体结构面抗剪强度指标计算方法的流程图；
[0031 ]图2为本发明结构面破损区域的示意图；
[0032]图3为本发明实施例〇"_^散点分布拟合效果图；
[0033]其中，1-结构面轮廓线；2-剪切破损区域轮廓线;3-结构面剪切破损区域;4-结构 面未磨损区域。
【具体实施方式】
[0034]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0036] 本发明的目的是提供一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，结合本发明附图 1-3,通过对某岩质高边坡的泥质板岩结构面，在RYL-600剪切试验机上进行的五级法向应 力下的岩体结构面直接剪切试验，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0037] (1)在RYL-600剪切试验机操作平台上进行第一级法向应力下的岩体结构面的直 接剪切试验，待水平向剪切推力趋于稳定后，将岩体试件从剪切试验机上取下，然后分离结 构面，并对剪切后结构面形态进行扫描；
[0038] (2)第一次扫描完成后，结构面复位，并将岩体试件重新置于RYL-600剪切试验机 平台上进行第二级法向应力下的直接剪切试验，依次重复进行结构面扫描、结构面直接剪 切试验，直至完成五级法向应力（即设定的基于五级法向应力下岩体结构面的法向荷载P) 下的岩体结构面直接剪切试验及每次试验后的结构面扫描工作，试验过程中，剪切试验机 会自动记录剪切推力与水平向剪切位移的数据，并以EXCEL文件格式的形式输出试验测试 数据文件，在数据文件中找出并记录剪切推力的最大值，即为峰值剪切推力T;
[0039] (3)分析每级法向应力下的结构面扫描影像，根据结构面影像中是否有剪切摩擦 痕迹，判定其是否参与抗剪工作，并在绘图软件中分别标记出结构面轮廓线1、剪切破损区 域轮廓线2,得到结构面剪切破损区域3和结构面未磨损区域4,同时计算结构面剪切破损区 域3的有效面积，获得五级法向应力下的总计五个有效面积数据;如下表：
[00411 (4)基于每级法向应力下岩体结构面的峰值剪切推力和结构面剪切破损区域3的 有效面积A '，基于每级法向应力下岩体结构面的法向荷载P、峰值剪切推力T和结构面剪切 破损有效区域的面积A'，h根据以下公式计算结构面在五级法向应力下的五个有效平均法 向应力和有效平均剪应力Tn;
[0044] (5)绘制有效平均法向应力〇"为横坐标、有效平均剪应力Tn为纵坐标的〇n-Tn直角 坐标系。
[0045] (6)将五个有效平均剪应力根据对应有效平均法向应力强度，在〇n_Tn直角坐标系 中绘出有效平均剪应力的散点分布图；
[0046] (7)在〇"_^直角坐标系中对有效平均剪应力散点数据进行线性拟合，给出形如 1^=% x t:an(，)+c的拟合方程；
[0047] (8)根据拟合直线方程的斜率tan()的值，计算岩体结构面内摩擦角史；
[0048] =aixtan(0.6014)=31.02。
[0049] (9)令〇"=0,根据线性拟合方程计算有效平均剪应力值，获得岩体结构面黏聚力 c；
[0050] C = 0.1065MPa = 106.5KPa。
[0051]根据上述本发明实施例的具体实施方案，可以获得能够真实反映岩体结构面抗剪 强度的指标。
[0052]本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的 说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依 据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容 不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 进行不同法向应力下岩体结构面的直接剪切试验，每次剪切试验后，对结构面破坏 后形态进行扫描，扫描完成后，结构面复位，进行下一级法向应力下的结构面直接剪切试 验，直至试验完成； (2) 分析结构面扫描影像文件，在所述影像文件中标记出结构面剪切破损区域，并计算 结构面剪切破损的有效区域面积A' ； (3) 基于每级法向应力下岩体结构面的法向荷载P、峰值剪切推力T和结构面剪切破损 有效区域的面积A'，根据以下公式计算不同级法向应力下的有效平均法向应力 〇"和有效平 均剪应力Tn:(4) 以有效平均法向应力〇"为横坐标，有效平均剪应力^为纵坐标，绘制〇n-h直角坐标 系； (5) 在直角坐标系中绘出不同有效平均法向应力~下有效平均剪应力^散点分布图； (6) 对有效平均剪应力散点数据进行线性拟合，得到拟合方程％ =^>xtan( )+c; (7) 根据拟合直线的斜率tan(巧)的值，计算得到岩体结构面内摩擦角； (8) 根据拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，得到岩体结构面黏聚力c。2. 根据权利要求1所述的一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于，步骤 (1)所述每次剪切试验后，是指每一级法向应力下的结构面直接剪切试验后。3. 根据权利要求1所述的一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于:步骤 (1)所述结构面复位，是指将剪断错位后的结构面恢复到剪切试验前的位置。4. 根据权利要求1所述的一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于:步骤 (1) 所述直至试验完成，是指完成所有设定法向应力下的结构面直接剪切试验。5. 根据权利要求1所述的一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于:步骤 (2) 所述扫描影像文件，能清晰判定结构面发生摩擦破损的区域及其轮廓。6. 根据权利要求1所述的一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于:步骤 (2)计算剪切破损有效区域的面积A'，具体包括分析每级法向应力下的结构面扫描影像，并 在绘图软件中分别标记出结构面轮廓线、破损区域轮廓线，同时计算结构面剪切破损有效 区域的面积A'。7. 根据权利要求1所述的一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于:步骤 (8)拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，所述纵坐标的横坐标值为零，8卩〇"=0。
【文档编号】G01N3/24GK106053256SQ201610646919
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月9日 公开号201610646919.7, CN 106053256 A, CN 106053256A, CN 201610646919, CN-A-106053256, CN106053256 A, CN106053256A, CN201610646919, CN201610646919.7
【发明人】蒲成志, 招国栋, 郭宇芳, 马艾阳, 朱忠华
【申请人】南华大学