朱 林

(湖南楚湘建設(shè)工程有限公司,長沙410004)

0 引 言

巖石抗剪強(qiáng)度是指巖石抵抗滑動和剪切破壞的極限強(qiáng)度,是巖石研究的重要工程力學(xué)特性,較之抗壓和抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)面切割,形成了一種復(fù)雜的不連續(xù)地介質(zhì).然而大量試驗研究表明,巖石的破壞以沿結(jié)構(gòu)面破壞為主,所以巖石結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度成為巖石最主要的力學(xué)性能,也一直是巖石研究領(lǐng)域的熱點課題.

目前,工程實際中經(jīng)常使用的巖石的各種理論破壞準(zhǔn)則,基本上都是對Coulomb準(zhǔn)則或者Griffiith理論的修正和擴(kuò)展.不同的理論分別針對巖石結(jié)構(gòu)面的影響因素進(jìn)行了探討.比如:巖石結(jié)構(gòu)面表面形狀、填充物性質(zhì)、填充物厚度、尺寸等.文中對影響結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度因素進(jìn)行了分類討論,介紹了當(dāng)前研究進(jìn)展及其實際工程中的應(yīng)用.

1 當(dāng)前研究進(jìn)展及其實際工程中的應(yīng)用

1.1 表面形態(tài)平整、無填充物結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度

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

cp表示凝聚力(當(dāng)剪應(yīng)力超過峰值強(qiáng)度時可認(rèn)定為零);σ表示法向應(yīng)力;φp表示內(nèi)摩擦角;φr表示殘余摩擦角.這類結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度值的顯保守,考慮的因素較少,但是相關(guān)參數(shù)容易取得,且計算簡單,在早期的工程中應(yīng)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(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度

各種不同地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)面實際上是凹凸不平,且不規(guī)則的,有很強(qiáng)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(nèi)外好多學(xué)者針對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度公式.

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

σ表示法向應(yīng)力;φ結(jié)構(gòu)面基本摩擦角;i為剪脹角.該模型認(rèn)為,不規(guī)則、無填充結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度在較低的法向應(yīng)力作用下遵循式(3)中的第一式(Patton剪脹公式),而隨著法向應(yīng)力作用的增大此時結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度值按式(3)中的第二式(庫倫-納維爾準(zhǔn)則)計算.孫廣忠[2]就規(guī)則起伏度結(jié)構(gòu)面(臺階形、鋸齒形和波浪形)的抗剪強(qiáng)度提出相關(guān)理論公式.總之,巖石結(jié)構(gòu)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(jié)性和巖壁強(qiáng)度對巖石抗剪強(qiáng)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(jié)構(gòu)面分別取4和1.5.

Barton[4](1976)認(rèn)真研究了結(jié)構(gòu)面的直剪特性和試驗結(jié)果,提出了用于估計不規(guī)則、無填充結(jié)構(gòu)面的峰值抗剪強(qiáng)度的非線性經(jīng)驗公式:

JRC表示粗糙度系數(shù);JCS表示結(jié)構(gòu)面抗壓強(qiáng)度;φb基本摩擦角.

針對結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC的確定方法,目前有大量的研究,標(biāo)準(zhǔn)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(xué)描述等.Turk(1987),lee(1990),Sakellariou(1991),Seidel(1995)分別運用分形幾何學(xué)方法計算了標(biāo)準(zhǔn)輪廓線的分維數(shù).河海大學(xué)邢福東(2004)[5]建立了分維數(shù)與粗糙度的關(guān)系式得以定量描述結(jié)構(gòu)面表面形態(tài).此類方法中分維數(shù)的獲取比較繁瑣,應(yīng)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(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度性質(zhì)的影響,認(rèn)為由巖石表面形態(tài)引起的爬坡效應(yīng)應(yīng)由這兩部分共同作用產(chǎn)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(qiáng)度;f為與巖壁力學(xué)性質(zhì)和形態(tài)測試的采樣建個有關(guān)的量.該式只適用于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度還需進(jìn)一步研究.

1.3 有填充物結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度

當(dāng)巖石結(jié)構(gòu)面含有填充物時,對其抗剪強(qiáng)度的影響主要有填充物性質(zhì)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(zhì)河砂填充物對花崗巖結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度的影響.Goodman[9](1966)在人造鋸齒結(jié)構(gòu)面間填充不同厚度的碎云母進(jìn)行剪切試驗研究,說明了填充度的力學(xué)效應(yīng).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(dāng)然對實際的工程有一定的指導(dǎo)意義.

1.4 其他因素的影響

由于結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)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(chǎn)生抗剪強(qiáng)度的尺寸效應(yīng).當(dāng)結(jié)構(gòu)面形態(tài)變化較大,且表面形態(tài)對抗剪強(qiáng)度其主要作用時,尺寸效應(yīng)非常明顯.王金安[9]就巖石斷裂表面分形量測的尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究.此外中國科學(xué)地質(zhì)研究所也對此進(jìn)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(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度都有很大的影響,已經(jīng)引起了廣大巖土工作者的關(guān)注[10].

2 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度是巖石的一個重要工程性質(zhì),影響的因素也非常之多,而且各個因素可能是相互關(guān)聯(lián)或者制約的.目前研究者們在這一領(lǐng)域取得了不少成績,對于實際的工程有一定的指導(dǎo)意義.但是相關(guān)理論比較欠缺,主要還是通過半理論半經(jīng)驗方法.大量的研究成果還有待進(jìn)一步的驗證正確性,甚至有相互矛盾的成果產(chǎn)生.總之,結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的影響因素相互夾雜,有難以定量,造成要全面準(zhǔn)確地得出其值十分困難,今后仍需進(jìn)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(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:科學(xué)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(zhì)膠結(jié)面抗剪強(qiáng)度分形描述及其工程應(yīng)用[D].河海大學(xué)碩士學(xué)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(zhì)研究[C].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第三次大會論文集.北京:中國科學(xué)技術(shù)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(qiáng)度和閉合性質(zhì)研究[J].水利學(xué)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(yīng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2000,11-17.

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