巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法綜述

郭 肖 紅

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊(duì)，浙江 杭州 310022)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法綜述

郭 肖 紅

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊(duì)，浙江 杭州 310022)

在查閱文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)法、公式法、經(jīng)驗(yàn)法和反算法四種巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的方法進(jìn)行了綜述，分析了各種方法的適用性，為巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的合理取值提供了依據(jù)。

巖體結(jié)構(gòu)面，抗剪強(qiáng)度，參數(shù)，取值

0 引言

巖體強(qiáng)度主要取決于巖石塊體和結(jié)構(gòu)面這兩部分的強(qiáng)度；工程實(shí)踐和理論研究表明，在大多數(shù)情況結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性對(duì)巖體強(qiáng)度起著控制性作用，使得巖體強(qiáng)度因結(jié)構(gòu)面的存在而大大削弱。

目前在工程巖體穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)工作中，其重點(diǎn)及難點(diǎn)之一就是如何合理地確定巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)?，F(xiàn)階段，確定控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的主要方法可以歸納為試驗(yàn)法、公式法、經(jīng)驗(yàn)法和反算法四大類，每一大類又分別包含幾種不同的具體方法。

本文在大量查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)這些取值方法進(jìn)行一番綜述。主要針對(duì)其中應(yīng)用成熟的方法。

1 試驗(yàn)法參數(shù)取值

1.1 室內(nèi)剪切試驗(yàn)

室內(nèi)剪切試驗(yàn)的基本原理、數(shù)據(jù)處理方法與土體直剪試驗(yàn)類似。其試驗(yàn)設(shè)備、方法相對(duì)簡(jiǎn)單，操作步驟規(guī)范、方便，因此應(yīng)用最廣。該方法的主要問(wèn)題是試樣的代表性、原狀性、尺寸效應(yīng)等。

試樣的代表性問(wèn)題主要由于結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的復(fù)雜性與變異性，當(dāng)試樣數(shù)量不足，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和離散性過(guò)大，從而使數(shù)理統(tǒng)計(jì)得到的參數(shù)取值具有較大偏差。李克鋼等[1]研究表明，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡可能的多選幾組試件進(jìn)行試驗(yàn)，這樣可以比較容易地排除異常值的影響，從而選取正常值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使得統(tǒng)計(jì)的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

試樣的原狀性問(wèn)題體現(xiàn)在巖體試樣在開挖過(guò)程中會(huì)不可避免地受到一定的擾動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的閉合程度有所變化，因此會(huì)不同程度地影響試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)取樣擾動(dòng)特別顯著、結(jié)構(gòu)面質(zhì)量很差時(shí)，這樣的試驗(yàn)還不如不做，按經(jīng)驗(yàn)采用類似工程的試驗(yàn)資料或許更為可靠。

試樣的尺寸效應(yīng)表現(xiàn)為試樣的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度通常隨其尺寸的增大而減小，但當(dāng)結(jié)構(gòu)面尺寸增大到一定程度時(shí)則趨于穩(wěn)定；但是這種尺寸界限會(huì)隨著巖體及其結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)發(fā)生變化。常規(guī)室內(nèi)剪切試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)面尺寸較小，存在尺寸效應(yīng)。

1.2 原位大型剪切試驗(yàn)

原位大型剪切試驗(yàn)的原理與室內(nèi)試驗(yàn)相同，主要差別體現(xiàn)在試樣制備和具體儀器設(shè)備上。由于其試驗(yàn)過(guò)程在原位進(jìn)行且剪切斷面較大，因此在很大程度上克服了試樣的原狀性和尺寸效應(yīng)等問(wèn)題，所得結(jié)果較為可靠。但因其設(shè)備笨重、操作復(fù)雜，故成本高、周期長(zhǎng)，一般只應(yīng)用于重大工程。

該試驗(yàn)的最大不足是試驗(yàn)組數(shù)受成本制約，且相對(duì)于它所應(yīng)用工程的規(guī)模而言樣本數(shù)量顯得偏少，存在以點(diǎn)代面、代表性不強(qiáng)的問(wèn)題。

針對(duì)其成本高、操作難、應(yīng)用受限的情況，劉明維、鄭穎人[2]提出原位抗切試驗(yàn)結(jié)合規(guī)范取值的參數(shù)確定方法。他們認(rèn)為：對(duì)于坡高不大于25 m的巖質(zhì)邊坡，可采用原位抗切試驗(yàn)較為準(zhǔn)確地確定比較敏感的c值，并結(jié)合規(guī)范取值法確定不敏感的φ值；這樣既保證了一定的工程精度，又克服了采用原位大型剪切試驗(yàn)的麻煩，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

2 公式法參數(shù)取值

通過(guò)對(duì)大量室內(nèi)外試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究成果的歸納總結(jié)，提出適用于估算結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，可以很大程度地減輕復(fù)雜的試驗(yàn)工作。

目前為止，比較公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)公式主要有Patton剪脹公式及雙線性公式、Jeager負(fù)指數(shù)剪切強(qiáng)度公式、Barton公式、Ladanyi公式和Gerrard剪切公式。這些公式中，前三者適用條件過(guò)于理想化，后兩者參數(shù)過(guò)于復(fù)雜、求取困難，因此在工程中主要應(yīng)用的是Barton的JRC—JCS模型。

杜時(shí)貴等[3]研究表明：采用Barton公式估算獲取的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)與室內(nèi)剪切試驗(yàn)所得結(jié)果基本一致，有時(shí)可能偏高。

3 經(jīng)驗(yàn)法參數(shù)取值

3.1 工程類比法

工程類比法是工程地質(zhì)研究的傳統(tǒng)方法之一，是指根據(jù)大量已有的同類工程數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體工程的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件等，通過(guò)類比、分析、判斷來(lái)獲得設(shè)計(jì)參數(shù)的取值。

該方法的最大缺點(diǎn)就是具有人為的經(jīng)驗(yàn)性、隨意性，應(yīng)用不當(dāng)，往往可靠性不高。要保證其可靠性，則要求具有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、掌握豐富的工程資料，而且需要進(jìn)行多方面因素的綜合類比，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)展情況和出現(xiàn)的問(wèn)題——特別是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和地質(zhì)體揭露情況，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整和修改。

張勤[4]建議，應(yīng)用模糊相似優(yōu)先比原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究，有利于克服工程類比法中人為影響、不定量性等缺點(diǎn)，從而在一定程度上提高參數(shù)取值的可靠性。

3.2 規(guī)范取值法

規(guī)范取值法是在結(jié)構(gòu)面分級(jí)的基礎(chǔ)上，參照規(guī)范、手冊(cè)等的建議范圍值，結(jié)合實(shí)際工程的具體條件，確定參數(shù)取值，必要時(shí)再進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣蹨p。因此，它本質(zhì)上是一種規(guī)范化的工程類比法，在一定程度上減少了人為因素的影響，但仍然不可避免地存在著經(jīng)驗(yàn)性、地區(qū)性等問(wèn)題。

劉明維、鄭穎人在廣泛調(diào)研、有針對(duì)性的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)成果的分析整理，對(duì)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度取值方法進(jìn)行了探討，并補(bǔ)充、完善和細(xì)化了結(jié)構(gòu)面的分類及其考慮因素，提出了相對(duì)更實(shí)用、更合理的參數(shù)取值表。對(duì)此，該規(guī)范的最新修訂版對(duì)其取值方法進(jìn)行了部分修善。

4 反算法參數(shù)取值

4.1 基于極限平衡的反演法

根據(jù)所處的穩(wěn)定狀態(tài)，選取相應(yīng)的極限平衡方法建立參數(shù)反演的方程，獲取結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)。因此理想的條件是滑動(dòng)破壞前的極限平衡狀態(tài)，此時(shí)可假定穩(wěn)定系數(shù)為1.00，然后根據(jù)選用的極限平衡公式，采用單值法或聯(lián)立剖面進(jìn)行參數(shù)反演。

當(dāng)采用單值法反算時(shí)，需要先假定其中的一個(gè)參數(shù)c或φ。通常采用敏感性分析，確定其中變化幅度不大或者容易掌握范圍的那個(gè)值。

當(dāng)聯(lián)立剖面進(jìn)行反算時(shí)，聯(lián)立方程的相容性是能夠求解的決定因素。一般情況下，由于巖土體的復(fù)雜性和變異性，不同剖面的穩(wěn)定狀態(tài)是不同的，兩者聯(lián)立以后往往難以求解。對(duì)于單一結(jié)構(gòu)面，且形狀變化不大時(shí)，采用剖面聯(lián)立法反算獲得的結(jié)構(gòu)面參數(shù)可與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相近。

4.2 位移反分析法

應(yīng)用數(shù)值分析方法，在已有位移觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)求解控制方程組，即可反演求得結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)，克服了極限平衡反算方法局限于強(qiáng)度極限狀態(tài)的不足。該方法自20世紀(jì)70年代以來(lái)，得到了工程界的重視和研究[5]：

孫鈞等提出了對(duì)巖體諸參數(shù)(包括其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ值)進(jìn)行彈塑性反演分析的一種全面優(yōu)化方法，實(shí)踐上得出了非線性逆問(wèn)題的唯一解。

杜景燦等在直接位移反分析的基礎(chǔ)上，引入加權(quán)系數(shù)，提出了加權(quán)位移反分析方法。

吉林等將巖體宏觀應(yīng)變引入，構(gòu)造新目標(biāo)函數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演。

由于巖體參數(shù)位移反分析法實(shí)質(zhì)為一個(gè)高度復(fù)雜的非線性函數(shù)問(wèn)題，其反分析解的存在性、穩(wěn)定性值得研究，且具有依賴初值、易失敗等缺點(diǎn)。應(yīng)用難度較大，尚處于優(yōu)化階段。

5 結(jié)語(yǔ)

目前用于確定巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的幾類主要方法中，或多或少地存在一些局限和不足，影響著參數(shù)取值的精度。它們又各有其適用條件，大致來(lái)說(shuō)：當(dāng)能獲取試樣時(shí)，一般采用試驗(yàn)法確定參數(shù)，而公式法(主要是Barton經(jīng)驗(yàn)公式)能在一定程度上減少?gòu)?fù)雜的試驗(yàn)工作；當(dāng)不能獲得試驗(yàn)參數(shù)時(shí)，則采用反算法或經(jīng)驗(yàn)法確定參數(shù)；同時(shí)根據(jù)工程規(guī)模和重要性等級(jí)不同，選用其中具體不同的取值方法。

[1] 李克鋼,許 江,李樹春.三峽庫(kù)區(qū)巖體天然結(jié)構(gòu)面抗剪性能試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2005,26(7):1063-1067.

[2] 劉明維,鄭穎人.巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的實(shí)用確定方法研究[J].工程勘察,2006(5):6-9.

[3] 杜時(shí)貴,胡曉飛,郭 霄，等.JRC-JC模型與直剪試驗(yàn)對(duì)比研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(S1):2747-2753.

[4] 張 勤.模糊數(shù)學(xué)在工程地質(zhì)類比法中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1990,7(4):1-6.

[5] 劉明維,傅 華,吳進(jìn)良.巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定方法的現(xiàn)狀及思考[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,24(5):65-67.

The summary of parameters value method for shear strength of rock mass structural plane

Guo Xiaohong

(ZhejiangCorps,ChinaBuildingMaterialsIndustryGeologicalProspectingCenter,Hangzhou310022,China)

Based on consulting documents, this paper reviewed the shear strength parameters value method of test method, formula method, experience method and inverse algorithm method four kinds of rock mass structural plane, analyzed the applicability of various methods, provided basis for parameters reasonable value of rock mass structural plane shear strength.

rock mass structural plane, shear strength, parameter, value

2015-06-05

郭肖紅(1982- )，女，工程師

1009-6825(2015)23-0032-02

TU452

A