淺析巖石結構面抗剪強度影響因素

朱 林

(湖南楚湘建設工程有限公司,長沙410004)

0 引 言

巖石抗剪強度是指巖石抵抗滑動和剪切破壞的極限強度,是巖石研究的重要工程力學特性,較之抗壓和抗拉強度更有工程實際意義.自然界中巖石是被一系列的斷層、層面、擠壓帶和節(jié)理裂隙等結構面切割,形成了一種復雜的不連續(xù)地介質.然而大量試驗研究表明,巖石的破壞以沿結構面破壞為主,所以巖石結構面的抗剪強度成為巖石最主要的力學性能,也一直是巖石研究領域的熱點課題.

目前,工程實際中經常使用的巖石的各種理論破壞準則,基本上都是對Coulomb準則或者Griffiith理論的修正和擴展.不同的理論分別針對巖石結構面的影響因素進行了探討.比如:巖石結構面表面形狀、填充物性質、填充物厚度、尺寸等.文中對影響結構面抗剪強度因素進行了分類討論,介紹了當前研究進展及其實際工程中的應用.

1 當前研究進展及其實際工程中的應用

1.1 表面形態(tài)平整、無填充物結構面的抗剪強度

在自然界表面形態(tài)平整,而且無填充物的巖石結構面嚴格意義上講是不存在的.對于這類結構面我們得到的抗剪強度是根據Coulomb在18世紀提出的庫倫公式而來:

cp表示凝聚力(當剪應力超過峰值強度時可認定為零);σ表示法向應力;φp表示內摩擦角;φr表示殘余摩擦角.這類結構面抗剪強度值的顯保守,考慮的因素較少,但是相關參數容易取得,且計算簡單,在早期的工程中應用較廣,同時它為后續(xù)的研究做了一個很好的鋪墊.

1.2 表面形態(tài)不規(guī)則、無填充物結構面的抗剪強度

各種不同地質條件下的結構面實際上是凹凸不平,且不規(guī)則的,有很強的不連續(xù)和起伏性.完全不同于前述的理想情況那樣表面平整,規(guī)則.近幾十年,國內外好多學者針對結構面不規(guī)則、無填充情況做了大量的研究工作,也得到了很多的不規(guī)則、無填充結構面的抗剪強度公式.

Patton[1](1966)引用結構面起伏角i描述結構面表面形態(tài),并且假設表面滑動時的凝聚力為零,得出Patton雙曲線剪切強度公式:

σ表示法向應力;φ結構面基本摩擦角;i為剪脹角.該模型認為,不規(guī)則、無填充結構面抗剪強度在較低的法向應力作用下遵循式(3)中的第一式(Patton剪脹公式),而隨著法向應力作用的增大此時結構面抗剪強度值按式(3)中的第二式(庫倫-納維爾準則)計算.孫廣忠[2]就規(guī)則起伏度結構面(臺階形、鋸齒形和波浪形)的抗剪強度提出相關理論公式.總之,巖石結構面并非規(guī)則的粗糙表面,因而其起伏角的量測不易,且大小不一.

Ladanyi和Archambault[3](1970)綜合考慮了摩擦性、剪脹性、粘結性和巖壁強度對巖石抗剪強度的影響,通過理論和試驗的方法推出公式:

式中K和L對于粗糙結構面分別取4和1.5.

Barton[4](1976)認真研究了結構面的直剪特性和試驗結果,提出了用于估計不規(guī)則、無填充結構面的峰值抗剪強度的非線性經驗公式:

JRC表示粗糙度系數;JCS表示結構面抗壓強度;φb基本摩擦角.

針對結構面粗糙度系數JRC的確定方法,目前有大量的研究,標準輪廓線對比法、傾斜試驗法、推拉試驗法、直剪試驗法、分形幾何學描述等.Turk(1987),lee(1990),Sakellariou(1991),Seidel(1995)分別運用分形幾何學方法計算了標準輪廓線的分維數.河海大學邢福東(2004)[5]建立了分維數與粗糙度的關系式得以定量描述結構面表面形態(tài).此類方法中分維數的獲取比較繁瑣,應用于工程實際中有一定的困難.

夏才初[6,7]同時考慮起伏度和粗糙度對結構面剪切強度性質的影響,認為由巖石表面形態(tài)引起的爬坡效應應由這兩部分共同作用產生,即有:為基本摩擦角為波紋度分量和粗糙度分量的坡度均方根;σT為巖壁的單軸抗壓強度;f為與巖壁力學性質和形態(tài)測試的采樣建個有關的量.該式只適用于結構面表面形態(tài)中的波紋度是較顯著的情形,對于形態(tài)中起伏度和粗糙度不能明顯區(qū)分的結構面剪切強度還需進一步研究.

1.3 有填充物結構面的抗剪強度

當巖石結構面含有填充物時,對其抗剪強度的影響主要有填充物性質和填充物厚度兩個方面.

Pereira[8]研究了從0.074～1.0 mm的五種不同粒徑的硅質河砂填充物對花崗巖結構面剪切強度的影響.Goodman[9](1966)在人造鋸齒結構面間填充不同厚度的碎云母進行剪切試驗研究,說明了填充度的力學效應.對于這類情況的研究主要集中于試驗研究,而理論的研究相對較少,當然對實際的工程有一定的指導意義.

1.4 其他因素的影響

由于結構面抗剪強度的試驗研究主要還是以室驗室試驗研究為主,而實驗室的試驗研究主要以小尺度巖石研究,實際工程中是大面積和大深度的巖體,那么就不可避免地產生抗剪強度的尺寸效應.當結構面形態(tài)變化較大,且表面形態(tài)對抗剪強度其主要作用時,尺寸效應非常明顯.王金安[9]就巖石斷裂表面分形量測的尺度效應進行了研究.此外中國科學地質研究所也對此進行了研究[2].

同時,試驗時剪切加載速度率以及巖石溫度和濕度對其結構面的抗剪強度都有很大的影響,已經引起了廣大巖土工作者的關注[10].

2 結 論

結構面抗剪強度是巖石的一個重要工程性質,影響的因素也非常之多,而且各個因素可能是相互關聯(lián)或者制約的.目前研究者們在這一領域取得了不少成績,對于實際的工程有一定的指導意義.但是相關理論比較欠缺,主要還是通過半理論半經驗方法.大量的研究成果還有待進一步的驗證正確性,甚至有相互矛盾的成果產生.總之,結構面抗剪強度的影響因素相互夾雜,有難以定量,造成要全面準確地得出其值十分困難,今后仍需進行大量的研究工作.

[1]Patton F D.Multiple Modes of Shear Failure in Rock[M].Proc 1st Cong ISRM.Lisbon 1966:509.

[2]孫廣忠.巖體結構力學[M].北京:科學出版社,1988.

[3]Ladanyi B,Archambult G,.Simulation of Shear Behavior of a Jointed Rock Mass[M].Proc.11th Symp on Rock Merch(AIME),1970:105.

[4]Barton N R,The Shear Strength of Rock and Rock Joints[J].Int J Rock Mech Min Sci&Geomech Abstr,1976,13:255-279.

[5]邢福東.巖石-砼兩相介質膠結面抗剪強度分形描述及其工程應用[D].河海大學碩士學位論文,2004.

[6]夏才初,孫宗頎,潘長良.含波紋度的節(jié)理的形貌特征和剪切性質研究[C].中國巖石力學與工程學會第三次大會論文集.北京:中國科學技術出版社,1994:34-43.

[7]夏才初,孫宗頎,潘長良.不同形貌節(jié)理的剪切強度和閉合性質研究[J].水利學報,1996.

[8]Pereira JP.Mechanics of Fill Discontin uities[J].Mechanics of Jointed and Faulted Rock.Balkema,Rtterdam:1990:375-380.

[9]王金安,謝和平,田曉燕,Kwasniewski Marek A.巖石斷裂表面分形測量的尺度效應[J].巖石力學與工程學報,2000,11-17.

[10]夏才初,孫宗頎.工程巖體節(jié)理力學[M].上海:同濟大學出版社,2002.