岩体结构面抗剪强度稳定阈值确定方法

本发明属于岩土工程，具体涉及一种岩体结构面抗剪强度稳定阈值确定方法。

背景技术：

1、岩体结构面的抗剪强度是岩质边坡、地下洞室及岩石地基稳定性分析中的关键力学参数。由于结构面的粗糙度及凸起体强度随观测尺度变化而变化，结构面抗剪强度的测试结果通常表现出明显的尺寸效应。该问题在室内试验及工程实践中早已受到关注。然而，结构面抗剪强度在何种尺度下可趋于稳定，即其稳定阈值或稳定临界尺寸，现有研究仍缺乏统一认识。该稳定阈值的准确确定，直接关系到结构面直剪试样尺寸的合理选取，以及室内试验结果向工程现场尺度外推时的可靠性。

2、目前工程实践中，岩体结构面直剪试验的试样尺寸仍主要依赖经验确定。现有部分试验建议或工程规范通常采用不小于约50cm×50cm或70cm×70cm的试样尺寸开展结构面原位直剪试验。虽然上述尺寸要求已被广泛采用，但其理论依据仍不充分，且尚不能回答所采用试样尺寸是否已达到结构面抗剪强度真正意义上的稳定阈值。因此，现有试验所得抗剪强度参数能否充分反映工程尺度下结构面的真实抗剪行为，尤其是对具有明显多尺度形貌特征的天然粗糙结构面而言，仍存在较大不确定性。

3、现有研究对岩体结构面抗剪强度的尺寸效应已进行了较多探讨，但关于抗剪强度稳定阈值的研究仍较有限，且不同研究结论差异较大。已有文献中既报道了随尺寸增大抗剪强度降低的负尺寸效应，也报道了正尺寸效应以及尺寸效应不明显的情形，表明相关结果对试验方法、样本范围及分析方法具有较强依赖性。例如，部分直剪试验研究得到的抗剪强度稳定阈值相对较小，有研究针对模型结构面给出了约40cm 的稳定阈值，也有研究报道约20cm或60cm的稳定阈值；同时，亦有研究认为在其测试范围内未观察到明显的稳定阈值。此外，现有试验研究所涉及的试样尺寸范围普遍有限，所得到的稳定阈值往往仅反映在特定测试区间内的相对稳定，而未必代表工程尺度下的真实稳定状态。对于天然粗糙结构面而言，其形貌往往具有多尺度特征，小尺寸试样可能无法完整包含较大尺度起伏及长波粗糙成分，从而导致抗剪强度的尺寸效应被低估。数值模拟研究进一步表明，当试样尺度扩展至更大范围时，例如将结构面尺寸扩展至数米量级，抗剪强度稳定阈值可能显著增大，有研究在最大计算尺度达到约600cm时，得到的抗剪强度稳定阈值可达约400cm。由此可见，现有技术对结构面抗剪强度稳定阈值的认识仍不完整，并受到研究方法、试样尺寸范围及可获得大尺度结构面数据的明显制约。

4、结构面抗剪强度的尺寸效应与结构面形貌特征的尺寸效应密切相关，尤其与粗糙度参数的尺寸变化密切相关。相较于抗剪强度测试，结构面粗糙度的获取通常更为便捷，因此利用粗糙度参数表征结构面尺寸效应并进一步推定抗剪强度稳定阈值，具有较高的工程应用价值。然而，现有关于粗糙度稳定阈值的研究结果离散性较大，已有研究报道的粗糙度稳定阈值可从约20cm变化至约500cm，远大于部分抗剪强度试验中所得到的稳定阈值范围。不同研究所采用的粗糙度描述参数、基准线确定方式、采样点间距及测量策略均不相同，导致所得稳定阈值差异显著，甚至可能得出相反的尺寸效应结论。因此，现有技术中尚不明确何种粗糙度参数能够更有效地表征结构面尺寸效应，也尚不清楚粗糙度稳定阈值与抗剪强度稳定阈值之间是否存在明确的定量关系。

5、综上所述，现有技术至少存在以下不足：一是结构面抗剪强度稳定阈值缺乏可靠、统一的确定依据，适用性不足；二是现有试样尺寸选取方法经验性较强，难以判断测试结果是否已达到稳定状态；三是粗糙度稳定阈值与抗剪强度稳定阈值之间缺乏明确的定量关联，限制了利用结构面几何测量结果快速评估力学稳定阈值的工程应用。因此，有必要提供一种岩体结构面抗剪强度稳定阈值的定量确定方法，以提高结构面抗剪强度参数测试与工程应用的科学性和可靠性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种岩体结构面抗剪强度稳定阈值确定方法。

2、为了解决上述提到的技术问题，本发明采用如下的技术方案：

3、一种岩体结构面抗剪强度稳定阈值确定方法，所述方法包括以下步骤：

4、s1、沿剪切方向测定基准长度

lo条件下岩体结构面的粗糙度系数

jrco；

5、s2、测定所述基准长度

lo条件下岩体结构面的壁岩强度

jcso；

6、s3、确定所述岩体结构面所承受的法向应力

σn；

7、s4、采用基于实测数据得到的预测模型（式（1））确定所述岩体结构面抗剪强度稳定阈值

lst-

τ；

8、 （1）；

9、式中，

lst-

τ为岩体结构面抗剪强度稳定阈值；

lo为基准长度；

jrco为基准长度条件下岩体结构面的粗糙度系数；

jcso为基准长度条件下岩体结构面的壁岩强度；

σn为岩体结构面所承受的法向应力。

10、进一步，在所述步骤s1中，至少测量36条所述基准长度

lo=10cm的岩体结构面轮廓线，相邻轮廓线之间的间距大于10cm，以保证采样结果的独立性和代表性；采用式（2）计算每条轮廓线的粗糙度系数

jrco，并以所测轮廓线粗糙度系数的平均值作为所述岩体结构面的

jrco的取值；

11、 （2）；

12、式中，

amax为岩体结构面轮廓线的最大起伏幅度。

13、再进一步，在所述步骤s2中，采用回弹仪测量岩体结构面壁岩的回弹值，测点数量不少于16个，相邻测点之间的间距大于2cm，以保证测量结果的独立性和代表性；根据所测回弹值的平均值，采用式（3）换算得到所述岩体结构面的壁岩强度

jcso；

14、  （3）；

15、式中，

γ为岩体结构面壁岩的重度，单位kn/m3，

r为回弹值。

16、更进一步，在所述步骤s3中，根据原位应力实测数据确定所述法向应力

σn，或者根据岩体结构面覆盖层厚度、边坡高度及岩体重度对所述法向应力

σn进行估算。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现为：

18、本发明基于岩体结构面的粗糙度系数

jrco、壁岩强度

jcso以及法向应力

σn等参数，建立了岩体结构面抗剪强度稳定阈值的定量确定方法，能够根据岩体结构面的形貌特征、壁岩强度和受力条件，对抗剪强度稳定阈值进行针对性计算，克服了现有技术中试样尺寸主要依赖经验推荐、缺乏定量判据、适用性不足的问题；同时，本发明建立了岩体结构面几何特征与抗剪强度稳定阈值之间的关联关系，可为岩体结构面直剪试验试样尺寸的合理选取、室内试验结果向工程实际尺度的推广以及岩体工程稳定性分析提供依据，从而将现有技术中对抗剪强度稳定阈值的经验判断和定性认识提升为可计算、可确定的定量分析方法；本发明仅需测定基准长度（10cm）条件下的岩体结构面粗糙度系数和壁岩强度，并结合岩体结构面所承受的法向应力，即可定量确定抗剪强度稳定阈值，无需开展大尺寸岩体结构面的直接测量与反复试验，从而有效避免了大尺寸岩体结构面在现场取样困难、形貌测量实施复杂、试验成本高等方面的问题，具有较好的工程实用价值和推广应用前景。