一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法技术

本发明专利技术公开一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，对岩体的结构面进行多次不同法向应力下的直接剪切试验，扫描并计算结构面剪切破损区域的有效面积，根据公式计算不同级法向应力下的有效平均法向应力σn和有效平均剪应力τn，并在σn‑τn直角坐标系中绘出不同有效平均法向应力下有效平均剪应力的散点分布图，对有效平均剪应力散点数据进行线性拟合，根据拟合直线斜率的值，计算得到岩体结构面内摩擦角，然后根据拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，得到岩体结构面黏聚力。本发明专利技术通过采用有效剪切面积来衡量结构面的抗剪强度指标，能够真实的反应岩体结构面抗剪强度特性，对岩土工程施工与隐患治理方案的设计，安全性及经济性更可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及岩体力学分析领域，特别是涉及一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法。
技术介绍
天然岩体中包含大量的节理、裂隙、断层等结构面，它们的存在破坏了岩体结构的连续性和完整性，劣化了岩体的工程性质，降低了岩体的强度。研究成果表明，岩体强度及变形特征主要受结构面的力学特性影响，尤其是抗剪强度，它常常是主导边坡、坝基等岩体工程稳定的关键因素，而内摩擦角φ和黏聚力c是表征结构面抗剪强度的两个重要指标。其中内摩擦角φ包含滑动摩擦和咬合剪断两种效应，其中咬合剪断受结构面起伏形态影响较大，对于无凹凸起伏体的结构面，其主要以充填介质发生滑动摩擦的形式影响结构面抗剪强度特性；黏聚力c则来源于充填介质颗粒之间的各种物理化学作用力，包括范德华力、胶结作用力等。准确计算出岩体结构面抗剪强度指标的大小，对于评估岩土工程的安全性和经济性有着十分重要的意义，因此，岩体结构面的峰值抗剪强度及其抗剪强度指标一直是岩石力学界的科技工作者研究的热点。为了获得所分析岩体工程结构面抗剪强度指标的大小，结构面的直接剪切试验是科技工作者的主要研究方法，它包括结构面的现场原位剪切试验和室内结构面模型的剪切试验，无论基于哪种技术方法和手段，准确获得岩体工程结构面抗剪强度指标及其真实变形规律是主要目的。在《工程岩体分级标准》(GB 50218-2014)的附录表D.0.2“岩体结构面抗剪断峰值强度”中，在综合现场各类岩体结构面抗剪断试验成果基础上，给出了估计岩体结构面抗剪强度指标的经验取值范围，对于一般规模较小、危害性不大的岩体工程，为节约工程造价，降低成本，尚可不经试验测定，可以根据规范建议值依照经验确定结构面抗剪强度指标来评估岩体工程稳定性，但是对于重大滑坡工程治理、深大露天矿边坡设计、水利水电坝基稳定性评价等重大岩体工程，仅仅根据规范建议值进行设计与评价，显然是不可行的，这时，就需要针对岩体原生结构面开展相关抗剪强度指标的测试工作。根据试验测试所得结构面峰值剪切推力，计算结构面抗剪强度，通过对不同法向应力下结构面抗剪强度的线性拟合，可以获得反应结构面抗剪强度指标的黏聚力c与内摩擦角这也是基于直接剪切试验获得结构面抗剪强度指标的主要途径。目前，在计算结构面剪应力并绘制剪应力-剪位移关系曲线时，都是以结构面全部发挥抗剪能力的假设来计算，即计算整个结构面的平均剪应力，然而，观察试验后的结构面破坏形态发现：结构面发生滑动时，摩擦痕迹并没有遍布整个结构面，只是在分布在局部区域上，且分布面积随结构面法向应力的增大而增大，表明基于整个结构面发挥抗剪能力计算的平均剪应力并不能真实反映结构面的抗剪工作状态，也就意味着，采用传统处理方法，通过直接剪切试验获得的抗剪强度指标并不准确，毫无疑问，基于这些并不准确的抗剪强度指标设计的重大岩土工程，必然会存在极大安全隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，用于准确计算岩体结构面的抗剪强度指标，并评估结构面抗剪能力，用于岩土工程施工及安全隐患治理方案的设计。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供了一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，包括以下步骤：(1)进行不同法向应力下岩体结构面的直接剪切试验，每次剪切试验后，对结构面破坏后形态进行扫描，扫描完成后，结构面复位，进行下一级法向应力下的结构面直接剪切试验，直至试验完成；(2)分析结构面扫描影像文件，在所述影像文件中标记出结构面剪切破损区域，并计算结构面剪切破损的有效区域面积A'；(3)基于每级法向应力下岩体结构面的法向荷载P、峰值剪切推力T和结构面剪切破损有效区域的面积A'，根据以下公式计算不同级法向应力下的有效平均法向应力σn和有效平均剪应力τn： σ n = P n A n ′ , ( n = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ... ) ]]> τ n = T n A n ′ , ( n = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ... ) ; ]]>(4)以有效平均法向应力σn为横坐标，有效平均剪应力τn为纵坐标，绘制σn-τn直角坐标系；(5)在直角坐标系中绘出不同有效平均法向应力σn下有效平均剪应力τn散点分布图；(6)对有效平均剪应力散点数据进行线性拟合，得到拟合方程(7)根据拟合直线的斜率的值，计算得到岩体结构面内摩擦角(8)根据拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，得到岩体结构面黏聚力c。优选的，步骤(1)所述每次剪切试验后，是指每一级法向应力下的结构面直接剪切试验后；优选的，步骤(1)所述结构面复位，是指将剪断错位后的结构面恢复到剪切试验前的位置；优选的，步骤(1)所述直至试验完成，是指完成所有设定法向应力下的结构面直接剪切试验；优选的，步骤(2)所述扫描影像文件，能清晰判定结构面发生摩擦破损的区域及其轮廓；优选的，步骤(2)计算剪切破损有效区域的面积A'，具体包括分析每级法向应力下的结构面扫描影像，并在绘图软件中分别标记出结构面轮廓线、破损区域轮廓线，同时计算结构面剪切破损有效区域的面积A'；优选的，步骤(8)拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，所述纵坐标的横坐标值为零，即σn＝0。本专利技术相对于现有技术而言取得了以下技术效果：1.通过用有效剪切面积来衡量结构面的抗剪强度指标，获得的抗剪强度指标能够真实的反应岩体结构面抗剪强度特性；2.实施过程中，在原有直接剪切试验基础上，增加的测试与分析工作有限；3.基于本专利技术获得结构面抗剪强度指标进行的岩土工程施工与隐患治理方案设计，安全性及经济性更可靠；4.岩体结构面破坏形态的扫描设备容易获取。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术岩体结构面抗剪强度指标计算方法的流程图；图2为本专利技术结构面破损区域的示意图；图3为本专利技术实施例σn-τn散点分布拟合效果图；其中，1-结构面轮廓线；2-剪切破损区域轮廓线；3-结构面剪切破损区域；4-结构面未磨损区域。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)进行不同法向应力下岩体结构面的直接剪切试验，每次剪切试验后，对结构面破坏后形态进行扫描，扫描完成后，结构面复位，进行下一级法向应力下的结构面直接剪切试验，直至试验完成；(2)分析结构面扫描影像文件，在所述影像文件中标记出结构面剪切破损区域，并计算结构面剪切破损的有效区域面积A'；(3)基于每级法向应力下岩体结构面的法向荷载P、峰值剪切推力T和结构面剪切破损有效区域的面积A'，根据以下公式计算不同级法向应力下的有效平均法向应力σn和有效平均剪应力τn：σn=PnAn′,(n=1,2,3,4,5...)]]>τn=TnAn′,(n=1,2,3,4,5...);]]>(4)以有效平均法向应力σn为横坐标，有效平均剪应力τn为纵坐标，绘制σn‑τn直角坐标系；(5)在直角坐标系中绘出不同有效平均法向应力σn下有效平均剪应力τn散点分布图；(6)对有效平均剪应力散点数据进行线性拟合，得到拟合方程(7)根据拟合直线的斜率的值，计算得到岩体结构面内摩擦角(8)根据拟合直线与直角坐标系纵坐标的交点，得到岩体结构面黏聚力c。...

【技术特征摘要】
1.一种岩体结构面抗剪强度指标计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)进行不同法向应力下岩体结构面的直接剪切试验，每次剪切试验后，对结构面破坏后形态进行扫描，扫描完成后，结构面复位，进行下一级法向应力下的结构面直接剪切试验，直至试验完成；(2)分析结构面扫描影像文件，在所述影像文件中标记出结构面剪切破损区域，并计算结构面剪切破损的有效区域面积A'；(3)基于每级法向应力下岩体结构面的法向荷载P、峰值剪切推力T和结构面剪切破损有效区域的面积A'，根据以下公式计算不同级法向应力下的有效平均法向应力σn和有效平均剪应力τn： σ n = P n A n ′ , ( n = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ... ) ]]> τ n = T n A n ′ , ( n = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲成志，招国栋，郭宇芳，马艾阳，朱忠华，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43