基于巴頓強(qiáng)度準(zhǔn)則的某露天礦邊坡巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度研究

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(jì)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(yùn)動(dòng)中，結(jié)構(gòu)面的自然特征會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)面的自然特征，決定了巖體的強(qiáng)度和變形，而巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)對(duì)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(duì)巖體結(jié)構(gòu)面作出定性、定量分析和評(píng)價(jià)，無論是對(duì)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(duì)不連續(xù)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度主要采用經(jīng)驗(yàn)法、室內(nèi)試驗(yàn)及原位測(cè)試方法。其中經(jīng)驗(yàn)法過分依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)，而室內(nèi)試驗(yàn)因其樣品尺度小，應(yīng)力條件與實(shí)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(yàn)又存在費(fèi)用高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)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(cè)試?yán)肑RC-JCS 模型的巴頓強(qiáng)度公式獲取的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)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(qiáng)度參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)法確定的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行對(duì)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(qiáng)度準(zhǔn)則

1.1 巴頓（Barton）強(qiáng)度相關(guān)公式

Banton 和Choubey 在對(duì)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(qiáng)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(fēng)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(qiáng)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(qiáng)度；

σ——破壞面上的法向應(yīng)力（Mpa）；

r——風(fēng)化濕潤(rùn)節(jié)理面表面的回彈數(shù)；

R——干燥未風(fēng)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(fēng)化裂隙上的試驗(yàn)結(jié)果及Barton 在未風(fēng)化巖石上的殘余摩擦試驗(yàn)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(zhǎng)的結(jié)構(gòu)面從光滑至最粗糙度劃分為10 個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的JRC 值在0～20，將巖體結(jié)構(gòu)面的直接測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)粗糙度剖面圖進(jìn)行對(duì)比，即可確定結(jié)構(gòu)面的JRC 值。

由于現(xiàn)場(chǎng)工作采用10 cm 長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)面粗糙度進(jìn)行描述往往不具有代表性，對(duì)于測(cè)量長(zhǎng)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(yàn)或簡(jiǎn)單傾斜拉滑試驗(yàn)測(cè)量峰值抗剪強(qiáng)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(yàn)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(jìn)行表示，直邊圖法將JRC 值的確定轉(zhuǎn)換為起伏度的測(cè)量和輪廓曲線長(zhǎng)度，有效地解決了標(biāo)準(zhǔn)剖面長(zhǎng)度10 cm 的問題，同時(shí)考慮到輪廓曲線長(zhǎng)度對(duì)JRC 的影響。在工程實(shí)際中便于工程師的操作，同時(shí)為經(jīng)費(fèi)緊張和周期緊的項(xiàng)目確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度提供了可靠的途徑。確定JRC 值的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度JCS 值圖

1.3 不連續(xù)面巖石單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度折減屬于經(jīng)驗(yàn)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(yàn)關(guān)系公式求裂隙抗壓強(qiáng)度JCS，使得JCS 操作極為簡(jiǎn)便。

式中：γ ——巖塊干重度（kN/m3）；

r ——風(fēng)化濕潤(rùn)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(tái)階露頭上采用結(jié)構(gòu)面測(cè)線法和鉆孔定向測(cè)量獲取礦山地表及深部的巖體結(jié)構(gòu)面信息。對(duì)305 m 的結(jié)構(gòu)面測(cè)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(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合結(jié)構(gòu)面特征識(shí)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(zhǎng)度、間距的分布信息統(tǒng)計(jì)見表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，對(duì)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(jì)

表2 結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

2.3 密度及單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試

本次采取18 件樣品分別進(jìn)行天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的密度試驗(yàn)，密度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。12 件樣品進(jìn)行天然和飽和單軸抗壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表3 巖石密度統(tǒng)計(jì)（單位g/cm3）

表4 巖石單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)（單位MPa）

2.4 結(jié)構(gòu)面回彈測(cè)試

為獲取風(fēng)化濕潤(rùn)節(jié)理面表面的回彈數(shù)（r）和干燥未風(fēng)化巖石表面的回彈數(shù)（R），按照《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T23-2011）對(duì)場(chǎng)地的巖石經(jīng)過石場(chǎng)切割后的新鮮面作為干燥未風(fēng)化巖石表面的回彈數(shù)（R），現(xiàn)場(chǎng)出露的結(jié)構(gòu)面上作為風(fēng)化濕潤(rùn)節(jié)理面表面的回彈數(shù)（r），對(duì)回彈測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 回彈測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

3 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50266-2013和《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》SL/T264-2020，對(duì)結(jié)構(gòu)面采取邊長(zhǎng)為150 mm 立方體樣進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表6。

表6 結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 巴頓（Barton）強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的確定

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

表7 結(jié)構(gòu)面JRC 和JCS 值統(tǒng)計(jì)

根據(jù)巴頓（Barton）強(qiáng)度相關(guān)公式，計(jì)算得到基于巴頓強(qiáng)度準(zhǔn)則確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 巴頓（Barton）強(qiáng)度準(zhǔn)則確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度

4 巖體抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析

對(duì)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(qiáng)度要大于飽和狀態(tài)下的剪切強(qiáng)度，基于巴頓（Barton）強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的殘余摩擦角均小于室內(nèi)試驗(yàn)，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(qiáng)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(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的殘余摩檫力大小遵循室內(nèi)剪切強(qiáng)度大小關(guān)系，基于巴頓（Barton）強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的黏聚力中，結(jié)構(gòu)面層面C 比室內(nèi)抗剪試驗(yàn)要小，節(jié)理J3、J2 最大比室內(nèi)抗剪試驗(yàn)要大，而節(jié)理J1 介于天然和飽和之間。

5 結(jié)論

通過對(duì)某石灰石露天礦邊坡巖體開展回彈測(cè)試，利用JRC-JCS 模型的巴頓強(qiáng)度公式獲取的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)對(duì)比，基于巴頓（Barton）強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的殘余摩擦角要小于室內(nèi)剪切試驗(yàn)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(duì)巖體的剪切強(qiáng)度有著重要影響，使用巴頓（Barton）強(qiáng)度準(zhǔn)則能夠快速地獲取結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，為露天礦場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供了快捷的方法。