浅析岩石结构面抗剪强度影响因素

朱 林

(湖南楚湘建设工程有限公司,长沙410004)

0 引 言

岩石抗剪强度是指岩石抵抗滑动和剪切破坏的极限强度,是岩石研究的重要工程力学特性,较之抗压和抗拉强度更有工程实际意义.自然界中岩石是被一系列的断层、层面、挤压带和节理裂隙等结构面切割,形成了一种复杂的不连续地介质.然而大量试验研究表明,岩石的破坏以沿结构面破坏为主,所以岩石结构面的抗剪强度成为岩石最主要的力学性能,也一直是岩石研究领域的热点课题.

目前,工程实际中经常使用的岩石的各种理论破坏准则,基本上都是对Coulomb准则或者Griffiith理论的修正和扩展.不同的理论分别针对岩石结构面的影响因素进行了探讨.比如:岩石结构面表面形状、填充物性质、填充物厚度、尺寸等.文中对影响结构面抗剪强度因素进行了分类讨论,介绍了当前研究进展及其实际工程中的应用.

1 当前研究进展及其实际工程中的应用

1.1 表面形态平整、无填充物结构面的抗剪强度

在自然界表面形态平整,而且无填充物的岩石结构面严格意义上讲是不存在的.对于这类结构面我们得到的抗剪强度是根据Coulomb在18世纪提出的库伦公式而来:

cp表示凝聚力(当剪应力超过峰值强度时可认定为零);σ表示法向应力;φp表示内摩擦角;φr表示残余摩擦角.这类结构面抗剪强度值的显保守,考虑的因素较少,但是相关参数容易取得,且计算简单,在早期的工程中应用较广,同时它为后续的研究做了一个很好的铺垫.

1.2 表面形态不规则、无填充物结构面的抗剪强度

各种不同地质条件下的结构面实际上是凹凸不平,且不规则的,有很强的不连续和起伏性.完全不同于前述的理想情况那样表面平整,规则.近几十年,国内外好多学者针对结构面不规则、无填充情况做了大量的研究工作,也得到了很多的不规则、无填充结构面的抗剪强度公式.

Patton[1](1966)引用结构面起伏角i描述结构面表面形态,并且假设表面滑动时的凝聚力为零,得出Patton双曲线剪切强度公式:

σ表示法向应力;φ结构面基本摩擦角;i为剪胀角.该模型认为,不规则、无填充结构面抗剪强度在较低的法向应力作用下遵循式(3)中的第一式(Patton剪胀公式),而随着法向应力作用的增大此时结构面抗剪强度值按式(3)中的第二式(库伦-纳维尔准则)计算.孙广忠[2]就规则起伏度结构面(台阶形、锯齿形和波浪形)的抗剪强度提出相关理论公式.总之,岩石结构面并非规则的粗糙表面,因而其起伏角的量测不易,且大小不一.

Ladanyi和Archambault[3](1970)综合考虑了摩擦性、剪胀性、粘结性和岩壁强度对岩石抗剪强度的影响,通过理论和试验的方法推出公式:

式中K和L对于粗糙结构面分别取4和1.5.

Barton[4](1976)认真研究了结构面的直剪特性和试验结果,提出了用于估计不规则、无填充结构面的峰值抗剪强度的非线性经验公式:

JRC表示粗糙度系数;JCS表示结构面抗压强度;φb基本摩擦角.

针对结构面粗糙度系数JRC的确定方法,目前有大量的研究,标准轮廓线对比法、倾斜试验法、推拉试验法、直剪试验法、分形几何学描述等.Turk(1987),lee(1990),Sakellariou(1991),Seidel(1995)分别运用分形几何学方法计算了标准轮廓线的分维数.河海大学邢福东(2004)[5]建立了分维数与粗糙度的关系式得以定量描述结构面表面形态.此类方法中分维数的获取比较繁琐,应用于工程实际中有一定的困难.

夏才初[6,7]同时考虑起伏度和粗糙度对结构面剪切强度性质的影响,认为由岩石表面形态引起的爬坡效应应由这两部分共同作用产生,即有:为基本摩擦角为波纹度分量和粗糙度分量的坡度均方根;σT为岩壁的单轴抗压强度;f为与岩壁力学性质和形态测试的采样建个有关的量.该式只适用于结构面表面形态中的波纹度是较显著的情形,对于形态中起伏度和粗糙度不能明显区分的结构面剪切强度还需进一步研究.

1.3 有填充物结构面的抗剪强度

当岩石结构面含有填充物时,对其抗剪强度的影响主要有填充物性质和填充物厚度两个方面.

Pereira[8]研究了从0.074～1.0 mm的五种不同粒径的硅质河砂填充物对花岗岩结构面剪切强度的影响.Goodman[9](1966)在人造锯齿结构面间填充不同厚度的碎云母进行剪切试验研究,说明了填充度的力学效应.对于这类情况的研究主要集中于试验研究,而理论的研究相对较少,当然对实际的工程有一定的指导意义.

1.4 其他因素的影响

由于结构面抗剪强度的试验研究主要还是以室验室试验研究为主,而实验室的试验研究主要以小尺度岩石研究,实际工程中是大面积和大深度的岩体,那么就不可避免地产生抗剪强度的尺寸效应.当结构面形态变化较大,且表面形态对抗剪强度其主要作用时,尺寸效应非常明显.王金安[9]就岩石断裂表面分形量测的尺度效应进行了研究.此外中国科学地质研究所也对此进行了研究[2].

同时,试验时剪切加载速度率以及岩石温度和湿度对其结构面的抗剪强度都有很大的影响,已经引起了广大岩土工作者的关注[10].

2 结 论

结构面抗剪强度是岩石的一个重要工程性质,影响的因素也非常之多,而且各个因素可能是相互关联或者制约的.目前研究者们在这一领域取得了不少成绩,对于实际的工程有一定的指导意义.但是相关理论比较欠缺,主要还是通过半理论半经验方法.大量的研究成果还有待进一步的验证正确性,甚至有相互矛盾的成果产生.总之,结构面抗剪强度的影响因素相互夹杂,有难以定量,造成要全面准确地得出其值十分困难,今后仍需进行大量的研究工作.

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

[2]孙广忠.岩体结构力学[M].北京:科学出版社,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]邢福东.岩石-砼两相介质胶结面抗剪强度分形描述及其工程应用[D].河海大学硕士学位论文,2004.

[6]夏才初,孙宗颀,潘长良.含波纹度的节理的形貌特征和剪切性质研究[C].中国岩石力学与工程学会第三次大会论文集.北京:中国科学技术出版社,1994:34-43.

[7]夏才初,孙宗颀,潘长良.不同形貌节理的剪切强度和闭合性质研究[J].水利学报,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,谢和平,田晓燕,Kwasniewski Marek A.岩石断裂表面分形测量的尺度效应[J].岩石力学与工程学报,2000,11-17.

[10]夏才初,孙宗颀.工程岩体节理力学[M].上海:同济大学出版社,2002.