魯旭榮，鄧 爽，吳占廷

（1.凱里學(xué)院，貴州 凱里；2.西北綜合勘察設(shè)計研究院 貴陽分院，貴州 貴陽）

引言

巖體結(jié)構(gòu)面的形成因素復(fù)雜，而且在其形成后的構(gòu)造運動中，結(jié)構(gòu)面的自然特征會發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)面的自然特征，決定了巖體的強度和變形，而巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)對巖體穩(wěn)定性至關(guān)重要[1-2]，工程巖體失穩(wěn)主要由結(jié)構(gòu)面的剪切破壞造成[3-5]，對巖體結(jié)構(gòu)面作出定性、定量分析和評價，無論是對巖體基本力學(xué)特性的研究，還是巖體穩(wěn)定性分析都具有十分重要的意義[6-8]，目前對不連續(xù)結(jié)構(gòu)面抗剪強度主要采用經(jīng)驗法、室內(nèi)試驗及原位測試方法。其中經(jīng)驗法過分依賴于工程師的經(jīng)驗，而室內(nèi)試驗因其樣品尺度小，應(yīng)力條件與實際情況相差較大，通常無法直接在工程上應(yīng)用，而原位大型抗剪試驗又存在費用高、試驗周期長等缺點，使得結(jié)構(gòu)面抗剪強度研究的確定一直是困擾工程界的難題[9-10]。

本研究擬通過某石灰石露天礦邊坡巖體開展基于回彈測試利用JRC-JCS 模型的巴頓強度公式獲取的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)，利用查理茲建立的回彈值與結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角關(guān)系與通過室內(nèi)直剪強度參數(shù)及經(jīng)驗法確定的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)進行對比研究，為露天礦山邊坡穩(wěn)定性研究提供依據(jù)。

1 巴頓（Barton）強度準則

1.1 巴頓（Barton）強度相關(guān)公式

Banton 和Choubey 在對不連續(xù)結(jié)構(gòu)面研究的基礎(chǔ)上于1977 年提出了著名的巴頓結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式，如公式（1）所示。在《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB51016-2014 附錄C.1.1 中給出了不連續(xù)面殘余內(nèi)摩擦角、巖石基本內(nèi)摩擦角、結(jié)構(gòu)面回彈值及干燥未風化巖體表明回彈值之間的關(guān)系，如公式（2）所示。

式中：τ——不連續(xù)面的抗剪強度（MPa）；

φr——巖石殘余摩擦角（°）；

φb——巖石基本摩擦角（°）；

JRC——不連續(xù)面粗糙度系數(shù)，取值1～20；

JCS——不連續(xù)面巖石抗壓強度；

σ——破壞面上的法向應(yīng)力（Mpa）；

r——風化濕潤節(jié)理面表面的回彈數(shù)；

R——干燥未風化巖石表面的回彈數(shù)。

查理茲總結(jié)得到回彈值與結(jié)構(gòu)面基本摩擦角φb間存在良好的線性關(guān)系，在極低正應(yīng)力（0.17 MPa）下的風化裂隙上的試驗結(jié)果及Barton 在未風化巖石上的殘余摩擦試驗結(jié)果形成如下線性關(guān)系[12]：

1.2 不連續(xù)面粗糙系數(shù)JRC 的確定

巴頓在1977 年提出結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)（Joint Roughness Coefficient，JRC）定量描述結(jié)構(gòu)面粗糙度的方法，該方法是將10 cm 長的結(jié)構(gòu)面從光滑至最粗糙度劃分為10 個等級，對應(yīng)的JRC 值在0～20，將巖體結(jié)構(gòu)面的直接測量結(jié)果與標準粗糙度剖面圖進行對比，即可確定結(jié)構(gòu)面的JRC 值。

由于現(xiàn)場工作采用10 cm 長度對結(jié)構(gòu)面粗糙度進行描述往往不具有代表性，對于測量長度大于10 cm 的結(jié)構(gòu)面，巴頓和班迪斯在1982 年提出了JRC 修正公式。部分學(xué)者也提出通過直剪試驗或簡單傾斜拉滑試驗測量峰值抗剪強度和基本摩擦角來反算JRC[13]，也有學(xué)者利用分形幾何方法確定結(jié)構(gòu)面的粗糙程度[14]，但為了克服估算結(jié)構(gòu)面JRC 值的主觀性、試驗反算及分析幾何方法給JRC 值確定帶來的不便，巴頓在1982年根據(jù)直邊圖法確定JRC 值，由于結(jié)構(gòu)面起伏度可用起伏差和起伏角進行表示，直邊圖法將JRC 值的確定轉(zhuǎn)換為起伏度的測量和輪廓曲線長度，有效地解決了標準剖面長度10 cm 的問題，同時考慮到輪廓曲線長度對JRC 的影響。在工程實際中便于工程師的操作，同時為經(jīng)費緊張和周期緊的項目確定結(jié)構(gòu)面抗剪強度提供了可靠的途徑。確定JRC 值的標準剖面圖[11]見圖1。裂面起伏度估算粗糙度JRC 值圖見圖2。

圖1 確定JRC 值的標準剖面圖[11]

圖2 裂面起伏度估算粗糙度JRC 值圖

圖3 裂面硬度估算單軸抗壓強度JCS 值圖

1.3 不連續(xù)面巖石單軸抗壓強度JCS 的確定

但GB51016-2014 規(guī)定的JCS 取值區(qū)間過大，采用單軸抗壓強度折減屬于經(jīng)驗估值，Barton 直邊圖受多因素影響，不便于操作。采用回彈值利用巴頓推薦的米勒經(jīng)驗關(guān)系公式求裂隙抗壓強度JCS，使得JCS 操作極為簡便。

式中：γ ——巖塊干重度（kN/m3）；

r ——風化濕潤節(jié)理面表面的回彈數(shù)。

2 工程案例

2.1 工程概況

某露天礦區(qū)主要出露的地層為三疊系中統(tǒng)北衙組中段（T2b2）與二疊系上統(tǒng)黑泥哨組（P2h），將在該礦山北側(cè)形成416 m 高終采邊坡，邊坡主要為三疊系中統(tǒng)北衙組中段灰?guī)r。

2.2 結(jié)構(gòu)面特征

結(jié)構(gòu)面的特征包括產(chǎn)狀、間距張開度、充填情況等。通過現(xiàn)有開挖臺階露頭上采用結(jié)構(gòu)面測線法和鉆孔定向測量獲取礦山地表及深部的巖體結(jié)構(gòu)面信息。對305 m 的結(jié)構(gòu)面測線，獲取到383 組地表巖體結(jié)構(gòu)面信息；通過鉆孔定向鉆獲取到800 組礦山深部巖體結(jié)構(gòu)面信息。對相關(guān)結(jié)構(gòu)面信息進行統(tǒng)計，結(jié)合結(jié)構(gòu)面特征識別為層面C 和J1、J2、J3 三組節(jié)理面，獲得巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、半跡線長度、間距的分布信息統(tǒng)計見表1。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，對層面和節(jié)理面形態(tài)、張開度、充填情況等結(jié)構(gòu)面主要工程地質(zhì)特征見表2。

表1 巖體結(jié)構(gòu)面分布信息統(tǒng)計

表2 結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

2.3 密度及單軸抗壓強度測試

本次采取18 件樣品分別進行天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的密度試驗，密度檢測統(tǒng)計結(jié)果見表3。12 件樣品進行天然和飽和單軸抗壓試驗，其試驗結(jié)果統(tǒng)計見表4。

表3 巖石密度統(tǒng)計（單位g/cm3）

表4 巖石單軸抗壓強度統(tǒng)計（單位MPa）

2.4 結(jié)構(gòu)面回彈測試

為獲取風化濕潤節(jié)理面表面的回彈數(shù)（r）和干燥未風化巖石表面的回彈數(shù)（R），按照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T23-2011）對場地的巖石經(jīng)過石場切割后的新鮮面作為干燥未風化巖石表面的回彈數(shù)（R），現(xiàn)場出露的結(jié)構(gòu)面上作為風化濕潤節(jié)理面表面的回彈數(shù)（r），對回彈測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5。

表5 回彈測試數(shù)據(jù)匯總

3 結(jié)構(gòu)面抗剪強度

3.1 室內(nèi)試驗

根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》GB/T50266-2013和《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》SL/T264-2020，對結(jié)構(gòu)面采取邊長為150 mm 立方體樣進行室內(nèi)剪切試驗，結(jié)構(gòu)面抗剪強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表6。

表6 結(jié)構(gòu)面剪切試驗結(jié)果統(tǒng)計

3.2 巴頓（Barton）強度準則對結(jié)構(gòu)面抗剪強度的確定

利用巴頓（Barton）直邊圖法中的起伏差和輪廓曲線長度對JRC 值進行估算，對其結(jié)構(gòu)面JRC 統(tǒng)計，對JCS 的取值米勒經(jīng)驗關(guān)系公式確定，其結(jié)構(gòu)面JRC 值和JCS 值計算結(jié)果見表7。

表7 結(jié)構(gòu)面JRC 和JCS 值統(tǒng)計

根據(jù)巴頓（Barton）強度相關(guān)公式，計算得到基于巴頓強度準則確定結(jié)構(gòu)面抗剪強度，計算結(jié)果見表8。

表8 巴頓（Barton）強度準則確定結(jié)構(gòu)面抗剪強度

4 巖體抗剪強度對比分析

對比表6 和表8，在相同結(jié)構(gòu)面下，天然狀態(tài)下的剪切強度要大于飽和狀態(tài)下的剪切強度，基于巴頓（Barton）強度準則計算的殘余摩擦角均小于室內(nèi)試驗，黏聚力的大小關(guān)系則不確定。不同結(jié)構(gòu)界面的剪切強度大小關(guān)系為節(jié)理J3＞層面C＞節(jié)理J1＞節(jié)理J2，基于巴頓（Barton）強度準則計算的殘余摩檫力大小遵循室內(nèi)剪切強度大小關(guān)系，基于巴頓（Barton）強度準則計算的黏聚力中，結(jié)構(gòu)面層面C 比室內(nèi)抗剪試驗要小，節(jié)理J3、J2 最大比室內(nèi)抗剪試驗要大，而節(jié)理J1 介于天然和飽和之間。

5 結(jié)論

通過對某石灰石露天礦邊坡巖體開展回彈測試，利用JRC-JCS 模型的巴頓強度公式獲取的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)計算結(jié)果與室內(nèi)結(jié)構(gòu)面剪切試驗對比，基于巴頓（Barton）強度準則計算的殘余摩擦角要小于室內(nèi)剪切試驗結(jié)果，而黏聚力大小關(guān)系則不定，說明巖體的結(jié)構(gòu)界面及界面間的填充物對巖體的剪切強度有著重要影響，使用巴頓（Barton）強度準則能夠快速地獲取結(jié)構(gòu)面抗剪強度，為露天礦場邊坡設(shè)計參數(shù)的選取提供了快捷的方法。