冻融循环下渐进弱化的非贯通节理岩体抗剪强度确定方法

本发明涉及工程，具体涉及冻融循环下渐进弱化的非贯通节理岩体抗剪强度确定方法。

背景技术：

1、工程岩体通常由节理与岩桥组成，其破坏处取决于节理与岩桥两部分。对非贯通节理而言，由于岩桥的存在，其受力与破坏特征与贯通节理不同，表现为由原生节理和自节理端部扩展的岩桥断面所组成的复合破坏面。在非贯通节理岩体中，岩桥的贯通破坏模式及其变形和强度特性在很大程度上受非贯通节理面的规模、密度和空间分布特征的控制。因此，非贯通节理岩体的强度特性研究在理论上和工程上都具有十分重要的意义。基于直剪试验的非贯通节理岩体破坏模式的理论研究，既有基于弹塑性理论的模型，也基于断裂力学的模型，还有将两者结合建立的理论模型。gehle等对石膏节理试样进行直剪试验，综合考虑了不同的节理长度、排列方式、倾角等因素的影响，研究结果表明法向应力和节理倾角对节理的抗剪强度影响最大。wong等对含有3组平行节理的类岩石节理进行直剪试验，探讨了节理裂隙的扩展规律及其峰值抗剪强度。

2、岩体结构是节理性状和节理切割完整岩体程度的反映，其节理面发育情况，是岩体强度、变形、渗透性和边坡变形破坏模式的主要控制因素，各类非贯通节理岩体工程的节理扩展、以及破坏失稳多数都是沿各种软弱节理面发生。并且，寒区节理岩体在冻融循环作用下会发生宏细观损伤。冻融循环过中周期性冻胀力会引起节理裂隙不断扩展，导致节理岩体的抗剪强度逐渐降低，因此冻融循环对节理岩体剪切力学性质的弱化是导致岩体失稳的关键因素。冻融对非贯通节理岩体的损伤是一个渐进过程，而在此过程中损伤弱化最为显著的则是岩桥部分，目前定量分析冻融节理岩体岩桥弱化力学机制的成果鲜有报道。岩桥抗剪强度是冻融节理岩体抗剪强度的重要组成部分，定量分析岩桥在冻融循环条件下抗剪力学特性的弱化规律是准确预测非贯通节理岩体抗剪强度的关键。因此，建立关于岩桥冻融弱化的非贯通节理岩体的抗剪强度准则，是综合治理寒区地质灾害的必要条件。

3、工程岩体通常由节理与岩桥组成，其破坏处取决于节理与岩桥两部分。对非贯通节理而言，由于岩桥的存在，其受力与破坏特征与贯通节理不同，表现为由原生节理和自节理端部扩展的岩桥断面所组成的复合破坏面。在非贯通节理岩体中，岩桥的贯通破坏模式及其变形和强度特性在很大程度上受非贯通节理面的规模、密度和空间分布特征的控制。

4、因此，非贯通节理岩体的强度特性研究在理论上和工程上都具有十分重要的意义。基于直剪试验的非贯通节理岩体破坏模式的理论研究，既有基于弹塑性理论的模型，也基于断裂力学的模型，还有将两者结合建立的理论模型。gehle等对石膏节理试样进行直剪试验，综合考虑了不同的节理长度、排列方式、倾角等因素的影响，研究结果表明法向应力和节理倾角对节理的抗剪强度影响最大。wong等对含有3组平行节理的类岩石节理进行直剪试验，探讨了节理裂隙的扩展规律及其峰值抗剪强度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供冻融循环下渐进弱化的非贯通节理岩体抗剪强度确定方法，本发明基于jennings提出的抗剪强度准则，并结合冻融剪切耦合作用下节理岩体损伤模型，得出冻融循环和剪切荷载与岩桥部分弱化程度的定量关系，提出岩桥弱化力学模型，并最终推导得出考虑冻融循环影响的修正jennings抗剪强度准则公式，并预测寒区非贯通节理岩体长期抗剪强度，为保障寒区资源开发和地质灾害防治提供可靠依据。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、冻融循环下渐进弱化的非贯通节理岩体抗剪强度确定方法，包括以下步骤：

4、s1：根据直剪试验结果得出冻融后节理试样不同法向应力下的峰值剪切强度，进行冻融节理岩体抗剪强度分析；然后采用jennings抗剪强度准则，计算在不同冻融循环次数下的非贯通节理岩体峰值抗剪强度；

5、s2：基于步骤s1对jennings剪切强度准则进行修正，考虑冻融剪切对岩桥强度的弱化作用，得出冻融循环作用下非贯通节理岩体的通用剪切强度计算方法；

6、s3：针对非贯通节理岩体经历冻融循环后，岩桥和节理部分的剪切破坏特性存在较大差异，提出冻融作用的jennings抗剪强度准则，包括岩桥未弱化部分的抗剪强度、岩桥弱化部分的抗剪强度、节理部分残余抗剪强度。

7、进一步的，所述步骤s1具体包括：

8、s1.1：样品制备：将节理试样切割成指定的尺寸和形状，制备样品，通常采用矩形或方形截面形状。

9、s1.2：试验设备设置：将直剪试验设备安装好，应按照规定的试验方法进行安装，并进行校准和检查，以确保试验数据的准确性。

10、s1.3：参数设置：确定试验参数，包括试验速率、试验荷载、试样尺寸等，这些参数应该根据试验标准和试样特性进行选择。

11、s1.4：试验过程：将试样放置在试验设备中，应用垂直于节理面的力，进行加载，直至试样破坏。同时，应记录试验过程中的数据，如荷载和位移等。

12、s1.5：数据处理：对试验数据进行处理和分析，计算出试样的剪切强度等参数，并绘制试验曲线和图表等，以便进行后续的分析和解读。

13、进一步的，所述步骤s2具体包括：定义节理岩体的弱化程度为k，则弱化程度k可用已被剪切破坏的微元数目nt与总微元数n的比值表示，而被破坏的节理岩桥微元数量与剪切破坏时的最小主应力相关，因此以岩桥微元最小主应力为变量的弱化程度公式可表示为：

14、

15、当非贯通节理岩体的渐进破坏仅受直剪作用影响时，则节理岩体的岩桥弱化程度k，可简化为破坏微元数量nt与岩桥微元总数n的比值：

16、

17、岩桥弱化的细观定义与冻融损伤与剪切的原理一致，都是特定条件下的破坏微元与总微元的数量比；冻融剪切节理岩体耦合损伤变量具体包括：

18、剪切和冻融循环造成损伤耦合的条件是在一定剪切应力τ作用下，两种类别的损伤分别作用造成的损伤应变之和等于不同层次耦合损伤导致的应变。如图6所示，定义图6(a)～(d)分别代表的岩石试样状态为：同时含有宏观节理和细观孔隙的岩石试样、仅含有宏观节理的岩石试样、仅含有细观孔隙的岩石试样、理想状态下无缺陷的岩石试样，其剪切模量分别为：在剪应力τ作用下产生的应变分别为：ε12、ε1、ε2、ε0，并且根据等效应变原理可得：

19、ε12＝ε1+ε2-ε0(3)

20、图6中4种状态下的岩石试样在剪应力τ作用下，均满足于胡克定律，则应变等式的变换形式为：

21、

22、根据上述应变等价原理和损伤理论假设，以图6(d)完整岩石试样不含损伤条件为参照基础损伤状态，则图6(b)中岩石试样由于预制宏观节理导致的宏观状态损伤定义为dx，图6(c)中岩石试样的损伤是由无宏观损伤的完整岩石经冻融循环和剪切导致的细观损伤，定义为dy，图6(a)中预制宏观节理岩石试样冻融剪切后的宏细观损伤总和定义为dxy。并且以剪切模量的相对大小代表节理岩石试样的损伤劣化程度，则有:

23、

24、同时，将式5代入式4中，可得冻融剪切节理岩石损伤总量为：

25、

26、由式6可知，当岩体仅有宏观节理缺陷时，即dy＝0，则有dxy＝dx，即此时节理岩体的宏细观耦合损伤变量等于岩体的宏观损伤变量；若岩体不含宏观节理等缺陷时，即dx＝0，则有dxy＝dy，即此时岩体的宏细观耦合损伤变量等于岩体的细观损伤变量，这与实际条件相一致。因此，通过上述理论方法建立的冻融剪切下节理岩体的宏细观耦合损伤变量符合实际。

27、由于完全理想的不含损伤岩石在自然界中并不存在，基本所有岩石都含有初始损伤，因此，根据理想状态暂时较难准确获取无初始损伤岩石的剪切模量g0，而根据损伤变量定义的相对性原理，可将完整岩石的初始状态定义为基准损伤状态，则含有宏观节理的岩石试样损伤为dc，而完整岩石经冻融循环和剪切造成的总损伤为dt，具有宏观节理的岩石试样经冻融循环和剪切荷载的总损伤为dm，因此，式6可转换形式为：

28、

29、总损伤dm表达式中，

30、

31、式中，gj为节理岩体等效剪切模量，gc为基准损伤状态完整岩石剪切模量；节理岩石试样的冻融损伤和剪切损伤均为内部微元破坏导致的结果，并且节理岩石试样冻融剪切总损伤dm包含岩桥损伤和节理损伤两部分。由于节理的特殊结构，冻融循环导致的损伤主要集中在两侧岩桥，中间节理的损伤可忽略不计，同理剪切试验过程中主要是岩桥部分发挥了抗剪作用，节理的抗剪作用可忽略不计，仅有较小的节理残余强度在峰后显现出来。因此，节理岩石试样在冻融剪切作用下岩桥的弱化程度η与冻融剪切总损伤变量dm等价。

32、根据节理岩体剪切过程中岩桥微元应力状态，并结合岩样剪切位移和节理面滑移位移，得出基于剪切位移变量的岩桥弱化程度计算公式：

33、

34、式中，u为节理岩样在剪切作用下的切向位移，u0为剪切过程中节理面切向滑移位移，uf为峰值剪切强度对应的切向位移，m为岩石材料强度对岩桥冻融剪切弱化程度的影响参数。

35、进一步的，所述步骤s3具体包括：考虑冻融循环影响的修正jennings抗剪强度准则公式为：

36、

37、式中，ξ为节理连通率，k为弱化程度，cr、分别为岩桥部分的粘聚力和内摩擦角，τc为节理部分的残余抗剪强度。

38、岩桥的抗剪强度参数cr、均可由直剪试验结果直接得出，而节理的残余抗剪强度τc则根据mohr-coulomb准则确定。

39、

40、式中，为节理面的残余内摩擦角。

41、根据岩桥力学特性弱化规律，提出的修正jennings抗剪强度准则其基础是节理岩体各个组成部分抗剪强度的加权平均值，与原有强度准则对比可得，岩桥在冻融循环和剪切荷载的影响下，其强度弱化十分明显。

42、另一方面，本发明提出上述方法在非贯通节理岩体的强度特性研究中的应用。

43、本发明的有益效果：

44、本发明提供了一种综合考虑冻融循环和剪切荷载影响的非贯通节理岩体抗剪强度确定方法。结合了节理岩体的微观结构特征、冻融循环过程和剪切荷载的作用，能够更准确地预测非贯通节理岩体的抗剪强度。这对于寒区资源开发和地质灾害防治提供了可靠的理论支持和技术指导。

45、本发明修正了jennings抗剪强度准则，考虑了冻融剪切对岩桥强度的弱化作用。通过定义弱化程度k，并将剪切位移变量引入岩桥弱化程度的计算，考虑了冻融循环和剪切荷载对岩桥部分强度的影响。岩桥的弱化程度与冻融剪切总损伤变量dm等价，可以根据直剪试验得到的剪切曲线计算得出。通过这种修正的抗剪强度准则，可以更准确地计算非贯通节理岩体的剪切强度。

46、本发明提出了岩桥弱化力学模型，用于描述冻融循环和剪切荷载对岩桥部分强度的弱化过程。该模型考虑了节理岩体中岩桥部分和节理部分的不同强度特性，将岩桥的强度弱化程度与冻融剪切总损伤变量dm联系起来。岩桥的粘聚力和内摩擦角可以通过直剪试验得到，而节理部分的残余抗剪强度则根据mohr-coulomb准则确定。通过这个修正的jennings抗剪强度准则，可以更全面地考虑冻融循环对非贯通节理岩体抗剪强度的影响。

47、综上所述，本发明能够更准确地预测非贯通节理岩体的抗剪强度，为工程设计和岩体稳定性评估提供了重要的依据，可以更好地理解节理岩体在冻融循环条件下的强度特性，为寒区资源开发和地质灾害防治提供可靠的理论支持和技术指导。

48、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。