基于barton經(jīng)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度公式的節(jié)理巖樣剪切強(qiáng)度修正方法

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1、基于Barton抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)優(yōu)化確定方法研究1引言工程巖體往往都包含各種結(jié)構(gòu)面，其整體和局部的變形穩(wěn)定往往受結(jié)構(gòu)面控制，因此，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的準(zhǔn)確確定將直接影響工程巖體變形穩(wěn)定分析結(jié)果的合理性。在結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試騎中，通常制備多個(gè)單節(jié)理巖樣，考慮不同的法向應(yīng)力進(jìn)行直剪試驗(yàn)，然后根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行擬合分析得到結(jié)構(gòu)而的粘聚力和摩擦角。在直剪試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)面的粗糙度和起伏度直接影響其抗剪強(qiáng)度的大小。不管是現(xiàn)場(chǎng)直接切割制備的節(jié)理巖樣【】，還是采用倒模的方法人工制備的節(jié)理巖樣【】，都

2、無法保證每個(gè)巖樣的結(jié)構(gòu)面形貌特征完全一致，也就是說，對(duì)選取準(zhǔn)備進(jìn)行不同法向應(yīng)力直剪試驗(yàn)的巖樣，即使采用相同的法向應(yīng)力進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到的抗剪強(qiáng)度差別可能會(huì)很大，這也就是通常所說的試樣本身的差異導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果的離散性。進(jìn)一步而言，采用本身具有一定差異的一組節(jié)理巖樣,進(jìn)行不同法向應(yīng)力的直剪試驗(yàn)，試樣的差異和試驗(yàn)的順序?qū)⒅苯蛹羟性囼?yàn)結(jié)果。因此，節(jié)理巖體剪切試驗(yàn)結(jié)果的誤差分析和修正是不可回避的一個(gè)問題?；诖?本文采用劈裂法制備了一組單節(jié)理巖樣，進(jìn)行不同的法向應(yīng)力進(jìn)行直剪試驗(yàn)，基于Barton提出的結(jié)構(gòu)而抗剪

3、強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，研究提出一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)而抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定方法，并詳細(xì)分析多試件節(jié)理巖樣剪切試驗(yàn)結(jié)果誤差分布情況。2單節(jié)理巖樣的剪切試驗(yàn)2.1單節(jié)理巖樣的制備現(xiàn)場(chǎng)直接采集制備含結(jié)構(gòu)面的巖樣，一方面難度很大，另一方面，結(jié)構(gòu)面本身的形貌特征差異也很大，從而導(dǎo)致直剪試驗(yàn)結(jié)果離散性較大。本文現(xiàn)場(chǎng)采集層理弱面顯著的新鮮砂巖巖塊，首先加工制備成100mmXlOOminX100mm的標(biāo)準(zhǔn)立方塊試樣，然后采用相對(duì)較小的加載速率（O.OlkN/s）順層理面將巖樣劈裂開,制備單節(jié)理巖樣。從劈裂面的宏觀形態(tài)來看，整體比較平直規(guī)

4、則，沒有明顯起伏，典型巖樣如圖1所示。圖1典型單節(jié)理巖樣Fig」Typicalsinglejointrocksample2.2單節(jié)理巖樣的直剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行0.5、1.0、1.5、2.0MPa等4種法向應(yīng)力的剪切試驗(yàn)，每種法向應(yīng)力3個(gè)巖樣，具體抗剪強(qiáng)度值如表1所示。表1不同法向應(yīng)力節(jié)理巖樣抗剪強(qiáng)度在以往的分析，通常采用如下兩種方法對(duì)節(jié)理巖樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行擬合分析：方法一：對(duì)不同法向應(yīng)力的均值進(jìn)行擬合確定其抗剪強(qiáng)度參數(shù)，具體擬合曲線如圖2所示；方法二：直接對(duì)不同法向應(yīng)力的節(jié)理巖樣的抗剪強(qiáng)度值擬合，確定

5、結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，具體擬合曲線如圖3所示。從圖2和圖3可以看出，兩種方法得到的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)相差不大，比較而言，第二種方法擬合得到的試驗(yàn)結(jié)果略大于第一組方法，數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)更高。但是這兩種方法均沒有較好考慮試樣的離散性對(duì)擬合結(jié)果的影響。從表1的直剪試驗(yàn)結(jié)果來看，在相同的法向應(yīng)力作用下，每個(gè)巖樣的抗剪強(qiáng)度差別依然是比較明顯的。分析主要原因是，雖然采用相同的方法制備單節(jié)理巖樣，宏觀上也比較一致，但是結(jié)構(gòu)面的微觀形貌差別依然存在，對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度自然存在差別。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同法向應(yīng)力的多試件直剪試

6、驗(yàn)，結(jié)構(gòu)面的形貌特征差異將直接影響其抗剪強(qiáng)度，甚至出現(xiàn)了個(gè)別法向應(yīng)力大，而抗剪強(qiáng)度反而低的異?，F(xiàn)象。因此，采用多試件試驗(yàn)方法擬合確定的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù),只能是多個(gè)巖樣抗剪強(qiáng)度的一個(gè)綜合值，所要做的工作是尋找一種合適的數(shù)學(xué)處理方法，使得確定的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)能更好的反映節(jié)理巖樣的剪切特性。3節(jié)理巖樣剪切試驗(yàn)結(jié)果的誤差分析及剪切強(qiáng)度確定優(yōu)化方法研究3.1基于Barton經(jīng)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度公式的節(jié)理巖體剪切強(qiáng)度優(yōu)化確定方法Barton基于200余個(gè)人工制備的節(jié)理巖樣直剪試驗(yàn)，分析總結(jié)得到了結(jié)構(gòu)面的經(jīng)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度公

7、式，如式（1）所示，其合理性和準(zhǔn)確數(shù)在大量的文獻(xiàn)中得到了證實(shí)【】。式屮：JRC為節(jié)理面初始粗糙度系數(shù)；6為法向應(yīng)力；JCS為結(jié)構(gòu)面面壁抗壓強(qiáng)度；％為基本內(nèi)摩擦角。根據(jù)式（1）,可以得到結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)計(jì)算公式：JRC=arctan(——)一(ph}(JCS、lg(——)6基于此，本文提出一種基于Barton結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式估算結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的思路。具體思路為：首先根據(jù)某一法向應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值，采用公式（2）,計(jì)算其結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC；然后根據(jù)公式（1）計(jì)算該試樣在其它法向應(yīng)力作用下的

8、抗剪強(qiáng)度，這樣，進(jìn)行一個(gè)法向應(yīng)力的直剪試驗(yàn)，就可以得到多個(gè)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度；最后對(duì)不同法向應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合分析,即可確定該節(jié)理巖樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。也即通過單試件一次剪切即可確定其抗剪強(qiáng)度參數(shù)。為了區(qū)別常用的“多試件法”，這里稱為“單試件法”。采用這種思路對(duì)4種法向應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析，可得不同法向應(yīng)力典型巖樣具體計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，0.5、1.0、1.5、2.0MPa4種法向應(yīng)力情況，采用單試件法確定的結(jié)構(gòu)面的粘聚力分別為