（固体力学专业论文）岩体结构面抗剪强度经验估算方法的试验对比研究.pdf

y 5 8 7 3 3 5 岩体结构面抗剪强度经验估算方法的试验对比研究 摘要 结构面抗剪强度是影响岩体稳定性的重要因素，它决定了工程岩 体破坏的可能性。传统的抗剪强度确定方法主要是室内外直剪试验方 法，直剪试验方法虽然具有“直接”获取的优点，但操作复杂、周期 长、费用高，若试样代表性选取不当，所获得的结果将与结构面的实 际抗剪强度有很大的出入。经验估算方法的主要优点是在估算过程中 可以考虑地质环境及工程条件，而且费用低、速度快、简单易行，适 合统计估算，能较好解决试样代表性问题。为提高经验估算方法应用 于实际工程的可靠性，有必要开展岩体结构面的抗剪强度经验估算结 果与直剪试验结果的对比研究。本文在对野外结构面的地质调查的基 础上，选取了不同岩性、不同尺寸的自然结构面试样，采用单试件法 进行了一系列干燥状态和饱和状态的直剪试验，得到结构面抗剪强度 参数；同时，运用j r c j c s 模型对各块试样进行结构面抗剪强度的经 验估算，求取了结构面抗剪强度参数。对比研究表明，j r c j c s 模型 的估算结果和直剪试验得到的结果相当吻合，结构面抗剪强度的经验 估算方法具有广阔的应用前景。 关键词：抗剪强度，经验估算方法，粗糙度系数( j r c ) ，试验对比研究 未经作者、锄p i 闭总 勿全文公布 s t u d yo ns h e a r s t r e n g t he s t i m a t e m e t h o d o fr o c kj o i n t sb a s e do ne x p e r i m e n t a l c o m p a r i s o n a b s t r a c t t h es h e a rs t r e n g t ho fr o c kj o i n t si st h ee s s e n t i a le l e m e n t sa f f e c t i n g t h e s t a b i l i t y o ft h e e n g i n e e r i n gr o c km a s s ，a n dt h ep o s s i b i l i t yo ft h e e n g i n e e r i n gr o c km a s sd a m a g ei s d e t e r m i n e db yt h es h e a rs t r e n g t ho f j o i n t s t h e t r a d i t i o n a lm e t h o dt o g e tt h e s h e a r s t r e n g t ho fr o c kj o i n t s m o s t l yi sl a b o r a t o r yd i r e c ts h e a rt e s t a n di ns u i td i r e c ts h e a rt e s t i t s m a i na d v a n t a g ei s “d i r e c t ”f o r mt e s t ，h o w e v e rt h eh i g hc o s tt o g e t h e r w i t hc o m p l i c a t em a n i p u l a t i o na n dl o n gp e r i o do fd i r e c ts h e a rt e s th a s b e e n f o u n d ，a n di ft h er e p r e s e n t a t i o no f s e l e c t e ds a m p l e si sn o t v e r yg o o d ， t h er e s u l t sw i l ln o tr e p r e s e n tt h ea c t u a ls h e a rs t r e n g t ho fr o c k j o i n t t h e e s t i m a t e m e t h o di s a d v a n t a g e d i n c o n s i d e r i n g t h e g e o l o g y a n d e n g i n e e r i n gc o n d i t i o n ，l o wc o s t ，s h o r tp e r i o da n ds i m p l em a n i p u l a t i o n ，i n a d d i t i o nb e c a u s et h ee s t i m a t e m e t h o da d a p tt os t a t i s t i c a l e s t i m a t e ，t h e p r o b l e mo f d i f f i c u l tr e p r e s e n t i n gg e o l o g yc a nb er e s o l v e d i ti sn e c e s s a r y t o c a r r yo u tt h ec o m p a r i s o ns t u d yb e t w e e nt h ee s t i m a t e m e t h o dr e s u l t s a n dd i r e c ts h e a rt e s tr e s u l t si no r d e rt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t ya p p l y i n g t h e e s t i m a t e - m e t h o dt o e n g i n e e r i n gp r a c t i c e i nt h i sp a p e r , t h en a t u r er o c k j o i n ts a m p l e sh a v eb e e ns e l e c t e dd i f f e r e n t l yi nl i t h o l o g ya n dd i m e n s i o n b a s e do nt h ee x t e n s i v e i n v e s t i g a t i o n t h ep a r a m e t e r so fs h e a rs t r e n g t h h a v eb e e na c q u i r e db a s e do nas e r i e so fd i r e c tw e ta n d d r ys h e a rt e s t s u s i n gm u l t i s t a g ed i r e c ts h e a rt e s t a tt h e s a m et i m e ，t h ep a r a m e t e r so f s h e a r s t r e n g t hh a v e b e e n e s t i m a t e d u s i n gj r c - j c s m o d e l t h ec o m p a r i s o n s t u d yi nt h i sp a p e rp r o v e st h a tt h er e s u l t so f e s t i m a t e m e t h o da n dd i r e c t s h e a rt e s tm a t c h v e r y w e l la n dt h ee s t i m a t e - m e t h o dh a v eaw i d e f o r e g r o u n d i na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s h e a r s t r e n g t h ，e s t i m a t e - m e t h o d ，j o i n tr o u g h n e s s c o e f f i c i e n t ( j r c ) ，c o m p a r i s o ns t u d ya p p l y i n g t e s t 第一章绪论 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 冀1 1工程岩体的构成：结构面和结构体 岩体是在地质历史过程中，并遭受后期地壳运动和地球外部营力重新塑造， 具有一定的岩石组成和结构面网络，赋存于特定地质环境( 地应力、地下水) 中的 岩石工程地质体。工程岩体通常是指与人类活动有关的地下或地表岩体，如地表 的斜坡或边坡、岩石基础、大坝基础以及库岸斜坡岩体、地下硐室围岩以及采矿 工程的影响的岩体等。工程岩体与人类的工程活动密切相关。结构面和结构体是 岩体的自然组成部分，岩体的这种自然属性印体现在几何上，又体现在力学属性 上。 以前，人们习惯用岩石材料的力学性质按连续体的弹塑性理论来评价工程岩 体的稳定性，对岩体中的结构面在岩体稳定性中的重大意义认识不足。随着岩体 工程的规模和广度不段发展，岩体失稳的事故逐步增多，特别是2 0 世纪5 0 年代 末和6 0 年代初的法国马尔帕塞( m a l p a s s e t ) 大坝和意大利瓦伊昂( v a j o n t ) 水库 内边坡的失稳引起了全世界极大的震动，也引起工程地质和岩体力学界对岩体结 构的重薪审视。 2 0 世纪7 0 年代，工程地质专家和岩体力学专家都注意到各种结构面的切割 的岩体和完整岩块的性质区别，并提出了岩块( r o c k ) 和岩体( r o c km a s s ) 的概念 ( m u l l e r ，1 9 7 4 ：b r o i l i ，1 9 7 4 ；b i e n i a w s k i ，1 9 7 4 ，1 9 9 6 ；g o o d m a n ，1 9 7 6 ) 。他们称岩 块为岩石材料( r o c km a t e r i a l ) 、完整岩石( i n t a c kr o c k ) 、岩石物质( r o c k s u b s t a n c e ) 或岩样( r o c ks p e c i m e n ) ；称结构面为不连续面( d i s c o n t i n u i t i e s ) 、 分离面( s e p a r a t i o n p l a n e ) 或断裂( f r a c t u r e ) 。并认为岩体由岩块和结构面组合 面成。特别是，美国加利福尼亚州立大学的g o o d m a n 和g e n h u as h i ( 1 9 8 5 ) 创立 的块体理论( k e yb l o c k ) 是上述思想在工程实践中成果应用的典范。 中国科学院地质研究所工程地质力学课题组( 古德振，1 9 7 9 ：王思敬，1 9 9 0 ： 孙广忠，1 9 8 8 ) 认为，岩体内存在着不同成因、不同特征的地质界面，包括物质 分异面和不连续面，如层理、片理、断层和节理等，这些统称为结构面。岩体中 的结构面依自己的产状彼此组合将岩体切割成形态不一大小不等以及成份各异 第一章绪论 浙江工业大学硕士学位论文 的岩块，这些由结构面所包围的岩块统称为结构体。 岩体的不连续性、各向异性、非均一性和尺寸效应( 杜时贵，1 9 9 9 ) 是岩体作 为工程介质相与其它工程介质具有本质区别的主要表现。 糯1 2 结构面的抗剪强度与工程岩体的稳定性 经验表明，工程岩体的失稳与结构面的发育程度、发育位置、产状、组合特 征及其工程性质有着十分密切的内在联系，不管岩石的坚硬程度如何，只要岩体 中存在不利的结构面构成的软弱地质界面，岩体有可能沿着这些结构面发生变形 破坏。许多大规模的自然斜坡、人工边坡、坝基和坝肩岩体的滑移失稳，以及地 下硐室的坍塌、冒顶、底鼓和侧墙破坏都与结构面的存在有着千丝万缕的联系。 邓宣明和李坚诗( 1 9 8 7 ) 的调查资料显示，大瑶山隧道施工过程2 9 次塌方，有2 2 次塌方与结构面有关。郭志( 1 9 9 6 ) 列举了三峡水库坝基、小浪底水库左坝肩、法 国的布泽水库等1 3 个国内外著名工程受结构面影响的实例。杜时贵( 1 9 9 7 ) 分析 工程岩体分类系统r m r 分类和q 系统，发现在r m r 分类中“结构西”因素占7 5 ，而q 系统中几乎所有六个分类要素均与结构面相关。因此，结构面是影响工 程岩体稳定性的决定性因素。 谷德振教授( 1 9 7 9 ) 岩体结构面和稳定性的关系进行了科学的概况：岩体的完 整性取决于结构面的数量多少和性质；岩体的稳固性取决于结构面的几何形态和 软弱面的泥化程度或抗滑阻力。事实上，从结构面的特点也可以发现，结构面岩 体的破坏以沿结构面剪切破坏为主。 因此，结构厦的抗剪强度是结构面最主要的力学性质，也是影响工程岩体稳 定性的决定性因素之一。在系统的研究结构面成因、分布规律和演变趋势后，如 何得到可靠的起控制作用的结构面的力学特性参数，特别是峰值抗剪强度参数， 成为岩体工程设计的一项非常重要的工作。工程实践表明，结构面的抗剪强度常 常直接关系到工程设计的方案、工程的投资和施工工期，它是岩体的工程安全的 重要的内在因素之一。 综上所述，工程岩体的失稳主要以结构面的剪切破坏为主。结构面的抗剪强 度是影响工程岩体稳定性的决定性因素之一，结构面的抗剪强度研究具有十分重 第一章绪论 浙江工业大学颂：1 学位论文 大的工程实用价值。 x 1 3 结构面抗剪强度的研究现状 目前结构面抗剪强度确定方法主要是岩体结构面直剪试验和经验估算方法。 1 3 1 室内外直剪试验 室内外直剪试验作为一种原始的、直接获取结构面抗剪强度及其参数的方 法，已被人们所广泛的应用和接受。其中，在野外现场进行的称原位直剪试验， 在试验室进行的称为室内直剪试验。一般，地质条件简单工程级别不高的时多采 用小尺寸的岩样进行室内直剪试验；工程地质条件负责且工程级别较重要时即需 要原位直剪试验，也需要室内直剪试验。原位直剪试验可以较为可靠得到一定尺 度范围内( 通常小于i x l 舒) 岩体结构面的抗剪强度及其参数，但是，原位直剪试 验突出的问题是费用高、周期长、环境差、操作复杂，而且由于受客观环境及设 备的限制，也不可能选择尽可能大的尺寸范围，因此是否真正能代表这一地质 单元的抗剪强度也是一个问题。室内直剪试验相对于原位直剪试验的费用及复杂 性相对较低，但是室内直剪试验的试样由于要求保持结构面原始的状态，应尽可 能少的被扰动，因此试样的取样、搬用、制各等过程要求非常严格、烦琐和复杂。 直剪试验又可分为多试件法和单试件法。多试验法被认为能够反应结构面真 实的力学性质，其主要问题是试验结果离散，事实上，试验结果的离散很大程度 上有可能是不同力学性质的结构面被认为是同一地质单元而形成的。单试件法由 于是在同一试样得到的直剪试验结果，因此可以避免选取不同力学特性的结构面 进行直剪试验，可以避免直剪试验结果的离散性，但是由于第一级以后的各级试 验是在前一级剪摩的基础上进行的，直剪试验得到的峰值抗剪强度及其参数不可 避免的会偏小。 综上所述，直剪试验无论是原位直剪试验还是室内直剪试验，的主要问题是 操作复杂、周期长、费用高，而且由于结构面力学效应具有非均一性、各向异性 和尺寸效应( i t 时贵，1 9 9 4 ) ，若直剪试验试样的代表性选取不当，试验结果与实 际结构面的抗剪强度性质将存在较大的差异。 第章绪论 浙江工业大学硕十学位论文 1 3 2 模型试验 室内模拟试验法是近3 0 多年发展起来的，p a t t o n ( 1 9 6 6 ) 年用石膏模拟了锯 齿形结构面的爬坡效应，e i n s t e i n 等人( 1 9 7 0 ) 用单锯齿模拟结构面的爬坡扩容 效应和剪断机理，郭志( 1 9 7 8 ) 用石膏模拟了水波状、锯齿状、复合锯齿状和台阶 状结构面的剪滑移和破坏机理，h o m a n d 等人( 2 0 0 1 ) 用石膏、灰桨等材料模拟了 规则锯齿结构面和断裂结构面在不同正应力下循环和单向多次剪切作用下的表 面粗糙度的衰减效应。模拟试验可以模拟结构面的地质环境，费用较低，试验过 程能明显的体现实验者的意图，使试验对象更接近于理论和实际的要求，是理论 研究很好手段，其优点是明显的。但是模拟试验的相似性问题，包括材料的相似 性、几何尺寸的相似性、结构面表面形态的相似性、试验条件的相似性问题还是 有待于进一步的研究完善。 13 3 经验估算方法 从p a t t o n ( 1 9 6 6 ) 至j j g r a s s e l l i ( 2 0 0 1 ) ，在将近3 0 年中，国内外，特别是 国外的一些著名的岩石力学实验室和研究机构，都没有停止过对经验估算方法的 探索。在此期间，有许多的经验估算公式或方法被不断的提出，1 9 6 6 年p a t t o n 首先从实验证实了剪胀效应的存在，并得到了剪胀公式及双线性公式，1 9 7 0 年 l a d a n y i 等在理论假设和实验检验两方面得到了可以考虑岩桥影响的剪切强度公 式，1 9 7 7 年b a r t o n 在大量断裂结构面实验结果中提出了自然结构面的剪切强度公 式，1 9 8 9 年g e r r a r d 在剪切理论假设提出了经验公式的五个物理限制条件及 b e r r a r d 剪切公式，2 0 0 3 年6 r a s s e l l i 提出了基于三维测量表面参数的剪切强度公 式。这些研究岩体结构面的经验估算方法的最终实现奠定了坚实的基础。 经验估算方法的显著优点是在估算过程中可以考虑地质环境，而且费用低、 速度快、简单易行，适合统计研究，能较好的解决试样代表性问题( 杜时贵，1 9 9 9 ) 。 经验估算方法主要问题在于： ( 1 ) 由于经验估算方法很多是在人工断裂结构面、模拟的或规则的结构面基础上 提出的，因此应用于实际自然结构面还有待于近一步的研究和衔接。 ( 2 ) 由于结构面的表面形态对结构面的剪切性质有着很重要的影响，经验估算方 法都需要专门的仪器对结构面表面形态的定量描述，因此需要对应用简单、方便 第一章绪论 浙江工业太学硕士学位论文 快捷的，适合野外操作的仪器进行近一步的研究。 ( 3 ) 经验估算方法工程应用研究的工程实例数目还太少，尚不足让人心悦诚服。 冀1 4 研究内容及意义 本文的研究内容得到了浙江省科技厅重点项目“岩体结构面抗剪强度经验估 算方法的应用研究”( 2 0 0 2 c 2 1 0 1 2 ) 的资助，是项目的重要组成部分。 本课题的目的是通过对抗剪强度经验估算方法和直剪试验的对比研究，检验 经验估算方法计算的结果与直剪试验结果的差别，通过两者之间的对比结果的分 析，更好的发挥经验估算方法对自然结构面抗剪强度预测的功效，从而能在理论 上更加深入的了解结构面在法向和切向应力的作用下岩体结构面的抗剪强度力 学性质，在岩体工程的实践中，一方面简单、快捷的预测关键结构面的抗剪强度 及其参数，另一方面减小对直剪试验的依赖或更好的判断试验结果的可靠性。 第二章岩体结构面的分类浙江工业大学硕士学位论文 第二章岩体结构面的分类 x 2 1 结构面的定义 根据谷德震教授( 1 9 7 9 ) 的定义，结构面是地质历史发展过程中，在岩体内 形成具有一定方向、一定规模、一定形态的面、缝、层、带状的地质晁面。面是 指岩块间的刚性、无任何填充的的劈理、节理、层面、片理等，是自然界最直观、 最容易被人们认识的一类结构面；缝是指有填充物，而且填充物有有一定的厚度 的裂缝，如泥化夹层、岩脉等。这类结构面也是人们所熟知的，层是岩层中相对 软弱夹层，如玄武岩中的凝灰岩夹层，灰岩中的泥化夹层，砂岩中的粘土岩夹层 等，是物质成分和力学性质有明显差异的两种成岩岩石在空间上韵律分布的形成 的。可以说，这是一类根据力学属性定义的结构面；带是指具有一定厚度( 或宽 度) 的构造破碎带、接触破碎带、顺层或层间错动带、古分化壳( 不整合) 和风 化槽等。因此，结构面不但包括几何属性和力学属性上的面状结构，还包括在几 何上、下两个界面所限制，在物质组成上有一定厚度的相对软弱的物质填充，在 力学属性上明显存在不连续性的缝、层、带状构造，由于填充于上、下两个界面 之闯的软弱物质厚度和相邻岩层厚度是徽不足道的，从宏观上仍可看作是一种面 状的构造。可见根据定义，结构面是工程岩体的一种几何属性和力学属性上的不 连续面，正是这种不连续面的存在，使工程岩体失去了完整性，从而导致了岩体 结构的复杂性。 端2 2 结构面的成因分类 根据结构面的形成原因，通常将其分为三种类型：原生结构面、构造结构面、 及次生结构面。 ( 一) 原生结构面 主要是指成岩阶段中形成的结构面。根据岩石的成因不同，可分为沉积结构 面，火成结构面及变质结构面。 沉积结构面是沉积岩在成岩过程中形成的层面、层理、沉积间断面( 不整合 第二章岩体结构面的分类 浙江工业大学硕士学位论文 面、假整合面) 及原生软弱夹层，它们都是层间结构面。火成结构面为岩浆侵入、 喷溢冷凝所形成的各种流层、流线、挤压破碎带、原生节理等结构面。变质结构 面为岩体在变质过程中所形成的片理、片麻理、板理、软弱夹层等结构面。 ( 二) 构造结构面 主要指岩体在构造运动作用下形成的各种劈理、节理、断层、层间错动等结 构面。其中节理面和断层面是构造结构面中两种最重要的形式。节理面在走向延 展及纵深发展上，其范围都有限的，大者一般不过百米，小者仅有几厘米。根据 其力学成因不同，又可分为张节理和剪节理。张节理面一般面粗糙，参差不齐， 延展性较差，剪节理一般平直光滑，延展性较相对较好，节理上有常见的擦痕和 各种泥质薄膜，如高岭石、绿泥石、滑石等，因此，剪节理尽管接触紧密，但易 于滑动。断层面的规模相差比较悬殊，有深切岩石圈几十公里，有的仅限于地壳 表层或只在地表数十米。但是，相对于工程而言，断层面一般是延展性较好的结 构面。断层面主要的物质成分是构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等。 层间错动带是在层状岩体中常见的一种构造面，其产状一般与岩层一致。 ( 三) 次生结构面 主要指在地表条件下，由于外力( 如风化、地下水、卸荷、爆破等) 的作用 而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层等。这种结构 面多为张裂隙，其结构面不平坦，产状不规则，大多为不连续的、发育深度不大。 上述几种结构面类型及其主要特征总结见表2 - 1 。 第二章岩体结构面的分类 浙扛工业大学硕士学位论文 表2 - i 结构面类型及主要特征 成因类型地质类型 主要特征 i 、产状与岩层一致，随岩层变化而，为层间结构面； 2 、一般里层状分布延展性强，海相中分布稳定，陆相及滨海相沉积 沉 层理、层理、沉积 易于尖灭，形成透镜体、扁豆体，原生层面具波浪起伏状； 积 间断面( 不整台 3 、一般层间结台良好层面新鲜时黯淡或黑白条纹，风化后才能剥开， 结若经后期构造运动常形成层间剪切带； 构 面、假整台面) 、 4 、层面特征多样一般平整，常见典型的泥裂、波痕、交错层理、缝 面 合线等，在沉积间断面中常有古分化残积物； 礞生软弱夹层 5 、层间软弱物质在构造及地下水作用下易见软化，强度降低对岩体稳 定性不利。 1 、产状受岩体与围岩接触面控制，随侵入岩体或岩脉的彤成而异； 原 2 、流层、流线在新鲜岩体中不易剥开，但经风化后易剥离或脱落，接 生 触面延展较远，原生节理延展性不强，但往往密集： 结 火 流层、流线、火成 3 、冷凝原生节理常常是平行或垂直接触面，为平缓或高倾角张裂面， 构 成 岩流接触面、蚀变 较不平整且粗糙。在浅成岩体及火山岩岩体中常发育有特殊的节理及柱 面 结带、挤压破碎带、 状节理； 构 原生节理 面 4 、火山岩流问充填物松散，原生节理常被软弱物质填充，对稳定性习； 利j 5 、蚀变带和挤压破骅带的形态、产状、规模及特性均受侵入岩体及围 岩控制。 变 1 、产状与岩层一致，或受其控制； 质 2 、片理面延展性较蕃，一般分布密集； 岩 片理、板理、剥理、 3 、片理结构面光滑，但形态是波浪起伏的。在新鲜岩体中片理面多呈 结 软弱夹层 闭合状，但一般能剥开。片理面凹凸不平状，面糨糙； 构 4 、软弱夹层中主要是片状矿物，如黑云母、绿泥石、滑石等富集带、 面 抗剪强度低，是岩体中的薄弱部位。 劈理为短小、密集的剪切破裂面，影响局部岩体的完整性和强度 1 、在走向延展及纵深发展上范匿是有限的l 2 、一般为张节理和剪节理，张节理延续性弱，剪节理延伸较长# 3 、张节理一般具徒立或徒倾产状，常垂直岩层走向剪节理斜交岩层 节理走向其倾角随岩层倾角变徒而变缓。 4 、张节理面粗糙，参差不齐，宽窄不一。剪节理平直光滑，有的面见 构 擦痕镜面，常有各种泥质薄膜如高峙石、绿泥石、滑石、石墨等尽 造 管接触面紧闭。但易于滑动。 结i 、规模悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有的仅限于地表数十米，断 构 层为延续性较强的结构面，对岩体的稳定性影响较大； 面 断层2 、大多数断层为剪切作用形成。也有为脆性张裂所形成； 3 、一般断层带内部存在构造岩。如如断层泥麋棱岩、角砾岩、压碎 岩，构造岩后期被漫染、腔结如方解石或石英脉罔络的形成，对岩体 稳定有利。 1 、在层状岩体中严软弱夹层发育，产状与岩层一致； 层间破碎夹层2 、一般呈层状分布，延展性强，有时也呈透镜捩或尖灭 3 、结构面物质破碎，呈鳞片状，含混质物，里条带状分布。 8 第二章岩体结构面的分类 浙江工业大学硕士学位论文 成因类型地质类型主要特征 1 、产状临空面有关，一般近水平，多为曲折不连续状态； 卸荷裂缝 2 、延续性不强，常在地表2 0 4 0 m 内发育； 3 、结构面粗糙不平，常张开，充填有气、水、泥质碎屑，宽窄不一， 变化多样。 1 、这种裂隙在边坡岩体中最为常见； 爆破裂缝2 、产状与边坡走向近乎平行延展有一定范围，视爆破力大小而异； 次 3 、多为张开型，松散、破碎其状态受上述各种结构面及岩性控制， 生 但一般多呈弧状分布 结 构 1 、一般沿原生夹层和原有的结构面发育，短小密集，延续性弱，仅限 面 风化裂隙于地表一定深度； 风化夹层2 、风化夹层产状与岩层一致，在风化带内延展性强； 3 、充填物松散、破碎，含泥质物。 1 、产状与岩层一致，沿软弱岩层地表发育 泥化夹层2 、延展性强，但割断泥化程度可能不一，视地下水条件而异# 3 、泥质物多呈塑性状态，甚至流态，强度低，是导致边坡岩体失稳破 坏的常见因素。 冀2 3 结构面的地质力学分类 工程实践涉及的岩体具有一定的范围，一定的范围内发育着各种结构面。在 工程岩体的范围内，可以根据不同的需要划分结构面的类型。比如为了研究岩体 中结构面的数量及其分布空间形式，结构面按贯通情况可以分为非贯通性的，半 贯通性的和贯通性的：为了研究结构箍的力学成因，结构面按岩体的断裂结构可 分为剪性结构面和张性结构面。 王思敬院士( 1 9 9 0 ) 考虑了结构面力学特性的主要因素( 结构面的充填情况， 结构面的组成、结构及状态，结构面的平整和光滑度，结构面两侧岩石的力学性 质) 的综合作用，将结构面划分为破裂结构面、破碎结构面、层状结构面和泥化 结构面这四种地质类型。 ( 一) 破裂结构面 岩体中的破裂面或物质分异的不连续面，包括节理、片理、劈理和坚硬岩体 的层面等。破裂结构面在法向作用线很易密合，从而呈刚性接触，属于硬性结构 面。 破裂结构面的抗剪强度主要取决于结构面表面的平整度和粗糙度。平直和光滑的 扭性节理，其粘聚力和内摩擦角均较小，抗剪强度可表示为： 第二章岩体结构面的分类 浙江工业大学硕士学位论文 f = c r t a n 口+ c 波状起伏及弧形的压扭结论内摩擦角显著增大，但其粘聚力较小，抗剪强度 可表示为： f 一盯t 柚+ a 妒) + c 结构面粗糙且不平整的张性节理或羽状裂隙发育错动面，在法向应力作用下 两壁岩石咬合力很强，在剪切变形过程中伴随有局部岩石的剪断，故粘聚也较大， 其剪切强度和表示为： f i 盯t a n 伊+ ( c + c ) 对于波状起伏的粗糙结构面，粘结力和摩擦角均较大，其剪切强度可表示为： ft 盯t a i l ( p + 伊) + ( c + a c ) 实验资料显示，妒为1 1 。2 2 。，a c 为1 0 0 3 0 0 k p a 。 ( 二) 破碎结构面 破碎结构面为岩体内的破坏分离面，包括断层破碎带、风化破碎带、断层及 层间错动面等。破碎结构面多具有带状或透镜状分布的充填物，在法向应力作用 下可产生显著的压密。 破碎结构面的剪切强度主要取决于充填物和胶结程度。破碎结构面的充填物 主要有角砾、碎屑、岩粉、鳞片、断层泥，且有一定程度的胶结，因而在剪切变 形过程中岩块和碎屑的皎合牢固，呈现很大的剪阻力，其抗剪强度可表示为： f - 仃t a n ( p + 妒) + ( c + a c ) 破碎结构面中，伊由结构面不平整引起，其值可达2 0 。；a c 则由碎屑充 填物咬合造成，其值可达到9 4k p a 。 ( 三) 层状结构面 岩体中成层的不连续面，如层面、软弱夹层及软弱岩层的顺层接触面等属于 层状结构面。层状结构面一般有一定程度的胶结，其剪切强度取决于胶结程度及 软层本身的剪切强度。 ( 四) 泥化结构面 面是岩体结构面中最软弱的一类结构面，它完全塑性泥质物构成，如断层泥、 1 0 第二章岩体结构面的分类 浙江工业大学硕士学位论文 次生夹泥层等。 泥化结构面的抗剪强度主要取决于充填物的厚度、粘土矿物成份、微观结构、 含水量和固结程度等。泥化结构面往往构成工程岩体的破坏滑移面，对岩体的稳 定性极为不利。 在自然界所遇到的工程岩体中，由于复杂地质力学作用的影响，完整的岩块 被破裂结构面、破碎结构面、层状结构面和泥化结构面的一种或几种，分隔为规 模较小，形状不一的的岩石。这些结构面的存在，使得工程岩体作为工程材料介 质，很大的区别与完整的岩石，在力学性质不同主要表现为：变形、渗透性、各 向异性和尺寸效应增加而强度降低。由于工程岩体存在尺寸效应，很难说那一类 结构面对工程岩体的力学性质影响最大。当然对于确定规模的工程岩体而言，不 同的结构面对它的力学性质的影响程度是不一样的。但是从以往的研究来看，各 国都非常重视破裂结构面对工程岩体力学性质的影响。在2 0 0 0 年的美国岩石力 学协会的论坛上，美国岩石力学协会秘书长g l a s e r 教授指出，某种程度上，节 理、片理和劈理等规模较小的结构面( 破裂结构面) 比规模更大的结构面更重要， 但是这类结构面，在实际的岩体工程中，往往不被重视，甚至忽视了它的存在， 因此他认为破裂结构面对岩体力学性质的影响的研究是未来岩石力学最重要的 发展方向之一。因此在本研究中，主要是针对破裂结构面中的节理和劈理，应用 实验的方法加以对比研究。 第三章基于结构面表面描述的岩体结构面抗剪强度经验估算方i 去的研究浙江工业大学硕士学位论文 第三章基于结构面表面描述的岩体结构面抗剪强经验估 算方法的研究 x 3 1 岩体结构面抗剪强度估算方法研究现状 研究结构面的抗剪强度经验估算主要有两种途径：其一是在大量的结构面直 剪试验基础上，总结归纳出结构面抗剪强度试验估算公式，再通过对经验估算公 式进行分析解释结构值抗剪强度公式的力学机理；其二是对结构面抗剪强度进行 理论分析的基础上，提出结构面结构面抗剪强度的理论公式，然后进行试验验证， 并作修正。前者的结构面抗剪强度公式为试验估算型，如p a t t o n 公式和j r c 一5 c s 模型，后者的结构面抗剪强度公式为理论估算型，如l a d a n y i 公式和g e r r a r d 公式。以下对不同的结构面抗剪强度经验估算方法及其相互关系进行了探讨及对 比分析，最后选择了j r c 一3 c s 模型作为试验对比分析的经验估算方法。 3 1 1p a t t o n 剪胀公式 早在1 8 世纪，c o u l o m b 在研究两块光滑平面之间的摩擦行为时，就提出了第 一个抗剪强度准则，即c o u l o m b 公式。即对于表面光滑，摩擦系数为u 为常数， 摩擦应力和正应力成正比，即 f 盯或f 盯t a n 妒 ( 3 - 1 ) 式中：p 为光滑表面的摩擦角。 p a t t o n ( 1 9 6 6 ) 第一次提出了岩体结构面抗剪强度的剪胀模型公式，并用规 则的锯齿形的人工结构面证实了这一结论。当结构面有起伏角为i 的规贝q 锯齿起 伏，如果结构面的粘结强度为零，则其抗剪强度为： f 仃t a n ( 妒+ i ) ( 3 2 ) 与c o u l o m b 公式比较，规则锯齿结构面的摩擦角增加了起伏角i 。此时， 剪切发生在与外施剪切应力成起伏角i 的起伏面上，当发生剪切位移时，必伴随 l2 第三章基于结构面表面描述的岩体结构面抗剪强度经验估算方法的研究浙江工业大学硕士学位论文 着法向位移，这就意味着试件的总体积增加，或者说发生剪胀，因而，式( 3 2 ) 又称p a t t o n 剪胀公式，这种剪胀在实际岩体结构面的剪切行为中起者非常重要 的作用。 在提出p a t t o n 剪胀公式以后，p a t t o n 用大量的规则锯齿模型岩体结构面的 直剪试验加以了验证。同时p a t t o n 在实际岩质边坡的稳定性研究中得到了证实。 他用不稳定的石灰岩边坡的层面迹线照片测量了其起伏角f 的平均值，分析发现 层面迹线起伏度越大，则边坡的倾角也越大，而且，层面迹线的倾角近似的等于 起伏角和基本摩擦角之和，显然这是因为在起伏度较小的结构面上，边坡无法保 持大角度的倾角的原因。 p a t t o n 剪胀公式( 3 - 2 ) 是在极低的应力状态下得到的，事实上，可以认为， 在极低有效正应力下，结构面上的粗糙起伏的凸起体，无论大小几乎都无法被啃 断，它们很强的影响了剪切过程，但是当法向应力增大时，起伏粗糙状态会随着 正应力的增大不断的被摩损，当正应力增大到一定状态下，结构面表面的状态不 再影响结构面的剪切行为，此时，结构面的抗剪强度遵循摩尔一库仑准则。 正因如此，p a t t o n 在研究中提出了在不同正应力下的剪胀公式，即p a t t o n 双线性抗剪强度公式( 图3 - 1 ) ，考虑了正应力对剪胀的影响，其实质仍然是式 ( 3 - 2 ) 的剪胀公式。其数学表达式如下： a t a n ( 妒+ i )g o t ， ( 3 _ 3 ) l f = c ，+ 盯t a n 妇r ) 盯c r t 式中：c ，一结构面岩壁的粘结力 妒r 一结构面残余摩擦角； 听一结构面从滑动转向剪断的临界应力。 临界正应力为式( 3 3 ) 两条直线的交点处的正应力，可通过两之间方程联 立解得： 旷司再商 4 第三章基于结构面表面描述的岩体结构面抗剪强度经验估算方法的研究浙江工业大学硕士学位论文 、 。一彘怠虮 爹毛鼎机 o 图3 - 1p a t t o n 双线性抗剪强度模型 p a t t o n 的双线性抗剪强度公式所描述的只是相同规则锯齿结构面这一种典 型情况，实际上，对于自然结构面而言，由于其表面凸起体空间分布及尺寸是及 其复杂的，在凸起体的最大强度应力值达到之前，早已经有次一级的凸起体被啃 断，也即在剪切过程中，大量的不同的剪切模型是同时存在的，因而，p a t t o n 双线性抗剪强度公式，虽然参数简单，物理意义明确，但是在实际工程的应用上 受到很多的限制。 3 1 2 l a d a n y i 和a r c h a m b a u i t 抗剪强度公式 l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t ( 1 9 7 0 ) 考虑了结构面剪切过程中，摩擦力、剪胀 性、凸起体强度等因素对峰值抗剪强度的综合作用，在理论上假设下式成立： 耳一s ，( 1 一口，) + s ，4 。 ( 3 5 ) 式中：l ，一剪切过程中所需要的峰值剪切力； 昂一滑过结构面凸起体所需要的剪切力； 6 ，一剪断结构面凸起体所需要的剪切力； 篁三兰蔗王壁塑耍多面描述幽结构面抗剪强度经验估算方法的研究浙江工业太学硕士学位论文 口。一被剪断的凸起体的面积占总面积的比率。 在上面假设的基础上，除以结构面总面积，通过定的化简，就可以得出 l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t 抗剪强度公式，即： f 。：型生些妥竺堕虹 ( 。书 o 2 1 习二不而历而一 呻 式中：f r o c k 一岩块的抗剪强度； 郇一峰值剪应力下的剪胀角，即：o p - - - - o x c | a 1 1 ( v ，) 。 v 。一峰值抗剪强度下的垂直位移。 “，一峰值抗剪强度下剪切方向上的水平位移。 对于l a d a n y i 和a r c h a m b a u i t 抗剪强度公式，若法向应力极低，凸起体几乎 没有任何剪断，此时，d ，一0 ，0 一i ，则成为p a t t o n 剪胀公式。着法向应力很高 时，凸起体几乎完全被剪断，口，一l ，f 。一f 。，则变成为完整岩石的抗剪强度 公式了，l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t 建议用f a i r h u r s t ( 1 9 6 4 ) 提出如下公式估算完 整岩石抗剪强度f 。： f 。，。：盯，4 n - 1 - 1 l + n ! - n 5 吒了v 云 ( 3 7 ) 式中：盯c 一岩壁的单轴抗压强度，由于风化，它小予完整岩石的单轴抗压强 度； ，l 一岩壁单轴抗压和抗拉强度的比值，h o k e ( 1 9 8 3 ) 曾建议，对大多 坚硬岩石，”- 1 0 。 因而l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t 抗剪强度公式是以p a t t o n 剪胀公式和完整岩 石强度公式这两条直线为过渡线的一条曲线，它从结构面剪切理论假设出发，实 现了对这两条直线的过渡。 然而，参数口。即使在试验条件下也是很难测量的，为了确定这两个参数， l a d a n y i 和h r c h a m b a u i t 进行了大量的锯齿形规则结构面试验，在此基础上，提 出了如下的经验公式： 第三章基于结构面表面描述的岩体结构面抗剪强度经验估算方法的研究浙江工业大学硕士学位论文 t a n q = 忙卜， 净s ， ”t 一( t 一百 ( 3 9 ) 式中：对于粗糙节理面，k - - - 4 ，l = i 5 。 l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t 抗剪强度是在理论假设和试验验证的基础上提出和 发展，由此具有一定的可信度和可行性，为了能更好的应用于更为复杂的不规则 结构面，此后一些研究者进行了更进一步的研究。h a b e r f i e l d 和j o h s t o n ( 1 9 9 4 ) 把简单的锯齿结构面的剪胀模型迸行了拓展，把自然结构面想像为一系列倾角和 边长不同的不规则三角形凸起体( 图3 2 ) ，以此预测结构面的峰值抗剪强度， 研究剪切过程中不同的剪切模式。虽然h a b e r f i e l d 和j o h s t o n 的模型突破了规 则锯齿结构面的限制，但是要真正应用于真实结构面的复杂情况还很困难。例如， 在应用h a b e r f i e l d 和j o h s t o n 模型时，如何正确选择凸起体的基础边长就比较 武断：如何把真实结构面近似于三角形凸起体结构面的步骤也没有很明确的定 义。因此，l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t 剪切公式真正应用到自然结构面表面的峰值 抗剪强度估算，仍然有很大的困难。 圈3 - 2 理想结构面的参数定义示意图( i t a b e r f i e l d j o h s t o n1 9 9 4 ) 3 1 3j r c - j c s 模型 b a r t o n ( 1 9 7 7 ) 在大量天然结构面的直剪试验的基础上，提出了以下的 j r c - t c s 模型： 铲+ 一吐( 刮 l o ) 1 6 g - - 章基于结构面表面描述的岩体结构面抗剪强度经验估算方法的研究 浙江工业丈学硕士学位论文 式中：搬c 一结构面粗糙度系数( j o i n tr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ) j c s 一结构面壁面抗压强度( j o i n tc o m p r e s s i o ns t r e n g t h ) ： 仇一基本摩擦角。 在实际工程中，式( 3 - 1 0 ) 一般都在应用于较低应力作用下，但当法向应力 较高，或是在三向应力条件下，有效法向应力提高到接近或超过结构面岩壁单轴 抗压强度j c s 时，此公式的误差就随者法向应力的增加而增加，因此，应以三向 应力状态下的应力差( o 。一。，) 取代原式中结构面岩壁单轴抗压强度j c s ，得： 矿吒恤卜船叫警) 】 对比b a t t 。n 公式和p a t t 。n 剪胀公式，可以发现若令i r 肛c 三0 9 。f ! ! 兰1 ， i 7 那么，这两个公式就类似的，这时，j r c j c s 模型在数学上也是非线性的，在法 向应力较低的时候这两个公式是比较接近的。b a t t o n 公式、l a d a n y i 和 a r c h a m b a u lt 公式、p a t t o n 剪胀公式都强调了剪胀对峰值抗剪强度的作用，但是 l a d a n y i 和a r c h a m b a u i t 公式考虑到随法向应力的增大，剪胀作用减小，然而， 结构面次一级凸起体剪断量的增加，有增加了对结构面峰值抗剪强度的贡献，从 而也得到了补偿作用。 在认识j r c j c s 模型时，需要认真对待以下几点情况： ( 1 ) j r c j c s 模型最初是从低应力试验条件得出的，因此只适用于低法向应 力下的结构面的峰值抗剪强度。 ( 2 ) 从式( 3 一i 0 ) 可以得出： o n 一0 ，式中的指数部分就趋向于无穷大， 显然这是不可能，因此j r c j c s 模型的只是在一定的应力范围之内是可以应用 的。 ( 3 ) b a r t o n 也建议最大的摩擦角( 包括基本摩擦角和剪胀角) 不能超过 7 0 。 b a r t o n 经验估算