1、Journal of Engineering Geology 工程地質學報 1004 - 9665/2007/15 ( Suppl. U ) -0019-07巖體結構面抗剪強度綜合評價杜時貴(浙江建設職業(yè)技術學院 杭州311231)摘要結構面抗剪強度參數是工程巖體穩(wěn)定性分析和加固治理方案設計的重要指標本文系統(tǒng)總結了巖體結構面粗糙度 系數的各質異性、各向異性、非均一性和尺寸效應特征，回殞了結構面粗糙度系數測量儀器研制過程和結構面粗糙度系數測 量技術發(fā)展歷程，介紹了巖體結構面抗剪強度綜合評價的具體步驟,并通過試驗對比分析了巖體結構面抗剪強度綜合評價方 法的町靠性a關鍵詞 結構面抗剪強度 綜合評價

2、粗糙度系數 各向異性 非均一性 尺寸效應SYNTHETICAL ESTIMATION METHOD ABOUT SHEARING STRENGTH OF ROCK JOINTSDU Shigui(Zhejiang College of Construction 9 Hangzhou 311231 )Abstract Shear strength parameters of rock joints are the important indexes on stability analysis of rock engineering and design of treatment scheme.

3、Rock joint roughness coefficient features i. e. anisomerism, anisotropy, inho mogeneity and scale effect were summarized systematically in the paper. The development of measuring apparatus and technology on rock joint roughness coefficient were retrospected Detailed procedure of comprehensive evalua

4、tion method on rock joint shear strength was introduced. The reliability of comprehensive evaluation method on rock joint shear strength was analyzed by analyzing the shear tests.Key words Shearing strength of joints, Synthetical estimation, Joint roughness coefficient ( JRC ) , Anisotropy, Unhomoge

5、neity, Scale effectJournal of Engineering Geology 工程地質學報 1004 - 9665/2007/15 ( Suppl. U ) -0019-07Journal of Engineering Geology 工程地質學報 1004 - 9665/2007/15 ( Suppl. U ) -0019-071引言隨著國民經濟的發(fā)展，特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略 的實施，基礎建設工程日益增多，結構面是控制水利 水電、公路、高速公路、鐵路、地鐵、地下工程、礦山、 石油T程、國防工程、核廢物地質處置等巖體T程穩(wěn) 定的主導因素。由于結構面的存在,工程巖體被切 割成

6、形狀各異、大小不同的塊體，塊體內部巖石堅硬 致密，工程巖體通常沿結構面組成的塊體邊界產生 滑動而失穩(wěn)破壞c，5o在進行工程巖體穩(wěn)定性評價 和制訂工程巖體加固方案時，必須得到結構面的抗 剪強度參數，目前，獲取結構面抗剪強度參數的途徑有3 種：一是室內模擬試驗方法，室內模擬試驗是一 種模型試驗的方法,由于相似性問題尚未得到有效 的解決，目前還沒有應用于工程實踐第二是傳統(tǒng) 的直剪試驗方法,直剪試驗方法從野外選取結構面Journal of Engineering Geology 工程地質學報 1004 - 9665/2007/15 ( Suppl. U ) -0019-07Journal of Eng

7、ineering Geology 工程地質學報 1004 - 9665/2007/15 ( Suppl. U ) -0019-07拿基金項目：國家自然科學基金(40672186),浙江省自然科學基金(Y50508 ),浙江省重大科技專項基金(2006C11128) 作者簡介:杜時貴，主要從事結構面粗糙度系數研究工作.Email： dushigui 126. com15(suppin)杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價#15(suppin)杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價21試樣開始,經過取樣、運輸、加工、安裝,進行試驗,整 個過程周期長、成本高，試驗結果離散性高，且無法 考慮尺寸效應。研究發(fā)

8、現，結構面抗剪強度具有各 質異性、各向異性、非均一性和尺寸效應等特征。欲 將直剪試驗結果應用于實際工程，必須對試驗結果 進行方向的確定、結果的統(tǒng)計和尺寸效應分析,而直 剪試驗本身自身很難解決這些問題，通常的做法是 將直剪試驗結果人為地折減70%的系數，然后應 用于實際工程，其可靠性受主觀因素影響很大。第 三種方法是挪威學者Barton于1973年提出，并由Barton和Choubey于1977年發(fā)展的結構面抗剪強 度經驗估算方法，其研究基礎是結構面粗糙度系數控制結構面抗剪強度的假設,Barton和Choubey還相應地給出了結構面粗糙度系數評價的10條標 準粗糙度圖Li?！?，Barton提出了

9、結構面粗糙度系數010203040cm測量的直邊法圖o國內外有經驗估算方法的工程應用實例作者通過巖體結構面形成規(guī)律的地質分析,結構面表面形態(tài)特征的野外調査和統(tǒng)計研究,發(fā)現結255075100cm構面粗糙度系數具有各質異性、各向異性、非均一 性-和尺寸效應-20等特征在結構面粗糙度 系數與抗剪強度的相關性機理研究切、結構面粗 糙度系數測量系列儀器研制F、結構面粗糙度系 數的定向統(tǒng)計測量分析曲切、結構面抗剪強度定向 統(tǒng)計評價與試驗對比研究冋的基礎上,提出了 巖體結構面抗剪強度綜合評價方法，編制了巖體圖1輪廓曲線儀及其繪制的輪廓曲線Fig. 1 Profilogragh and profiles d

10、rawn by profilogragha.輪廓曲線儀;b輪廉曲線15(suppin)杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價#結構面抗剪強度綜合評價應用技術規(guī)程，編寫巖 體結構面抗剪強度綜合評價工程應用范例,并在數 十項國家級和省級重大工程中推廣應用,形成巖體 結構面抗剪強度綜合評價技術。2 結構面粗糙度系數測量儀器2.1輪廓曲線儀研究表明,巖石節(jié)理表面輪廓曲線的起伏幅度 為毫米級,就起伏幅度最小的基本尺寸（取樣長度 10mm）的輪廓曲線而言,起伏幅度測量誤差為1mm 時，對應的丿RC測量誤差為4。因此,只要將起伏度 測量誤差控制在0. 1mm級，即可滿足JRC測量要 求c據此，研制了輪廓曲線儀，

11、用于繪制巖體結構面 表面輪廓曲線（圖1）。2.2大尺度輪廓曲線儀測量大尺度結構面輪廓曲線，需加長輪廓曲線 固定板，即用大尺度輪廓曲線固定板,它由數個可互 相組裝的主板和連接板組成。在主板、連接板上分 別設置有安裝孔，將主板與主板沿長邊方向緊密相 連組成主板組,將連接板布置在主板對接處,安裝孔 對齊的主板與連接板通過螺栓固定，形成大尺度輪 廓曲線固定板，用于大尺度結構面輪廓曲線繪制 （圖 2）。2.3 基本粗糙度尺根據修正直邊法原理，研制了基本粗糙度尺 （圖3）,用于測量基本尺寸結構面表面輪廓的粗糙 度系數川C。值。圖2大尺度輪廓曲線儀的野外操作圖3用于測量基本尺寸節(jié)理粗糙度系數JRC。的基本粗

12、糙度尺Fig. 3 Basic roughness ruler fbu measurement2.4 多量程粗糙度尺測量不同取樣長度輪廓曲線的粗糙度系數 JAC,可用多量程粗糙度尺(圖4)。多量程粗糙度 尺根據JRC修正直邊法的數學表達式兇研制而成: 叫SRyJRCn = 49. 2114e45OarctanyJ ( 1 ) 式中，厶為結構面實際尺寸(cm) , Lo為結構面基本 尺寸(10cm)丿RQ代表取樣長度厶的結構面粗糙度 系數,代表取樣長度為Ln的輪廓曲線起伏幅度 (cm)。2.5 大尺度粗糙度測量臺為測量大尺度結構面輪廓曲線的粗糙度系數 值,設計了大尺度輪廓曲線幅度測量臺(圖5 )

13、,呈透 明狀的大尺度輪廓曲線幅度測量臺臺面標有刻度, 刻度的有效長度為1000cm,刻度的有效寬度為 100cm。將大尺度輪廓曲線幅度測量臺臺面安裝于 中空的測量臺頂面,臺面下方由燈光照明，將繪有巖 體結構面表面輪廓曲線的紙放置于大尺度輪廓曲線 幅度測量臺臺面上，移動繪有巖體結構面表面輪廓 曲線的紙，即可測量取樣長度100 1000cm輪廓曲 線的巖體結構面粗糙度系數值。15(suppin)杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價#of JRCq with common size圖4多量程粗糙度尺Fig. 4 Multi 一 scope roughness ruler15（Suppl. II ）杜時

14、貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價23圖5大尺度粗糙度臺Fig. 5 Large scale JRC measuring table3 結構面粗糙度系數定向統(tǒng)計測量在結構面表面形態(tài)廣泛調查和20078條表面輪 廓曲線統(tǒng)計分析的基礎上，提出并系統(tǒng)地總結了粗 糙度系數的各質異性、各向異性、非均一性和尺寸效 應特征（圖6）。針對粗糙度系數的這些特征，設計 了巖體結構面粗糙度系數定向統(tǒng)計測量方法，即在 野外現場的代表性結構面上均勻布置測量方向（圖 7），在每一測量方向均勻布置測段（圖8）,分別進行 不同尺寸測段的粗糙度系數定向統(tǒng)計測量二15（Suppl. II ）杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價#15（

15、Suppl. II ）杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價#= 5am *8廠15（Suppl. II ）杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價#圖6結構面粗糙度系數基本特征Fig 6 Fundamental behaviour of jointroughness coefficienta.冬質異性山乞向異性2非均一性；!尺寸效應15（Suppl. II ）杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價#15（Suppl. II ）杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價25135150* 16501530，454543050 165 1504135*圖7測量方向的確定Fig. 7 Determination of

16、measurement directionson a specimen4.2粗糙度系數測量與取值結構面粗糙度系數測量采樣要求在無充填、新 鮮未風化的硬結構面表面進行。按定向統(tǒng)計測量方法進行結構面粗糙度系數測量（圖7,圖8 ）,根據 JRC尺寸效應分形模型宀進行結構面粗糙度系數尺寸效應分析，有條件時還可以評定巖體結構面粗糙度系數穩(wěn)定閾值（L：)35圖8某一方向的測段布置Fig. 8 Allocation of measurement directions4.3結構面壁巖強度取值結構面壁巖強度可以選用先期巖塊單軸抗壓強 度試驗得到的巖塊單軸抗壓強度值。先期沒有提供 巖塊單軸抗壓強度值時，可采用回彈

17、法測定結構面 壁巖強度。特殊情況下可參考巖石單軸抗壓強度經 驗值，結構面壁巖強度試驗應分別在干燥狀態(tài)與飽 和狀態(tài)進行。結構面壁巖強度取值應考慮結構面所 處部位巖石的風化狀態(tài)。結構面壁巖強度取值應考 慮尺寸效應，9,即結構面壁巖強度取值與抗剪強 度經驗估算的結構面規(guī)模相一致。4.4結構面基本（殘余）摩擦角試驗與取值工期允許或精度要求較高的重要工程,結構面 基本（殘余）摩擦角應根據結構面基本（殘余）摩擦 角試驗進行取值。結構面基本（殘余）摩擦角試驗4 巖體結構面抗剪強度綜合評價巖體結構面抗剪強度綜合評價適用于無充填的 硬巖結構面,結構面法向應力介于0.01 0.3丿CS。 的地應力狀態(tài)。樣可選取組

18、成結構面壁巖的完整巖塊,加工成10 x10 x 10cm巖石塊體,用切割機切割成兩塊10 x 10 x5cm試塊，保證切割面平直，并將切割面磨光，按 水利水電工程巖石試驗規(guī)程（SL264 -2001）中結 構面直剪試驗標準或公路工程巖石試驗規(guī)程 （JTG E41 -2005）中抗剪強度（直剪）試驗標準進行 直剪試驗得到。對一般的工程，結構面基本（殘余）4. 1巖體結構面的地質描述15（Suppl. II ）杜時貴：巖體結構面抗剪強度綜合評價27詳細描述結構面所處工程巖體的地點或工程名 稱、結構區(qū)號、結構面類型、結構面組號、結構面出露 位置、結構面規(guī)模、結構面產狀、結構面與工程面的關系、工程巖體

19、潛在滑移破壞面、潛在滑移破壞方 向。結構面隙寬、結構面充填情況（充填物成分與 厚度）、結構面力學成因、結構面表面形態(tài)、結構面 斷裂擴展方向。結構面組成巖石的礦物成分、結構 構造、風化程度結構面所處的地質環(huán)境和工程環(huán) 下式確定:（pb = 0.414心 + 9. 273（2）式中，為干且未風化的結構面表面回彈值:，特殊情況下,結構面基本（殘余）摩擦角可根據 結構面基本（殘余）摩擦角經驗值進行取值04.5 結構面法向應力取值結構面抗剪強度綜合評價的法向應力值應根據 工程巖體結構面所處部位垂直于評價結構面的初始 應力或地應力確定對大型或特殊工程，宜現場實 測巖體地應力，以取得其定量數據。對一般工程，

20、有 巖體地應力實測數據者,應采用實測值，無實測資料時,可根據地質勘探資料,對地應力進行評估04.6 抗剪強度綜合評價巖體結構面抗剪強度綜合評價應根據確定的方 向進行，并根據巖體結構面所處的地質條件確定每 個評價方向的結構面抗剪強度評價狀態(tài)。將巖體結 構面基本(殘余)摩擦角(仇或)、壁巖強度 (JCSn)和粗糙度系數(JRCn )代入結構面抗剪強度 綜合評價公式進行試算:ICSt = anianJRCn lg( ) +(pb (3)對試算結果應以最小二乘法進行統(tǒng)計求得巖體 結構面峰值摩擦角和內聚力。5綜合評價試驗對比分析試樣取自于中國浙江天荒坪抽水蓄能電站工程 巖體,試樣采集于原狀巖體，采樣前結

21、構面兩盤巖石 至少在3個出露面進行標記,盡可能使結構面兩盤 巖石在采樣后保持原始吻合狀態(tài)。所采集結構面兩 盤巖石分別進行加工，確定試樣大小和選樣位置后, 先加工結構面上盤試塊,將加工好的上盤試塊與下 盤進行吻合，然后加工結構面下盤試塊，可保證結構 面兩盤巖石較好地吻合。從加工效果看，除丁3試樣 外，各試樣結構面兩盤試塊吻合程度較好。試樣的制備根據水利水電工程巖石力學試驗規(guī) 程(SL264 - 2001 )(,1進行,結構面兩盤試塊加T呈 矩形體，完整的結構面試樣呈立方體,結構面位于試 樣的中間。為考察不同尺寸結構面抗剪強度綜合評 價結果的可靠性,試樣被加工成4種規(guī)格，試樣兒、 T2的結構面尺寸

22、為15cm x 15cm；試樣T3T4和T5 的結構面尺寸為20cm x 20cm；試樣T6的結構面尺 寸為30cm x 30cm；試樣T7的結構面尺寸為50cm x 50cm 0試驗對比發(fā)現：(1 ) T|、丁2、丁3、丁4、丁5試樣經過5級剪切后結構 面粗糙度系數衰減率小于10%，直剪后結構面表面 起伏形態(tài)沒有破壞，僅在較合的起伏坡面上有微凸 體被磨損現象，直剪過程結構面以摩擦滑動破壞為 主，結構面抗剪強度直剪試驗結果與綜合評價結果 比較一致。T7試樣經過5級剪切后結構面粗糙度 系數衰減率達到26. 65% ,直剪后結構面表面起伏 形態(tài)發(fā)生改變，起伏坡面的微凸體幾乎全被磨損，直 剪過程結構

23、面以磨損滑動破壞為主，結構面抗剪強 度直剪試驗結果與綜合評價結果差異很大。(2)為消除結構面粗糙度系數各向異性、非均一性和尺寸效應的影響，粗糙度系數的定向統(tǒng)計測 量和尺寸效應分析是保證綜合評價可靠性的關鍵 為使綜合評價結果與直剪試驗結果具可比性,評價 過程考慮粗糙度系數的衰減是有效的。(3)對比研究表明，與JRC-JCS模型相比，考 慮吻合度系數的JRC - JMC模型更符合客觀實 際。這與Geeatsema(2002)的對比研究結論是一 致的。6結論巖體結構面抗剪強度綜合評價在野外現場進 行,T序簡單，所需時間僅為傳統(tǒng)方法的10%,所需 成本僅為傳統(tǒng)方法的10% -20%,而且得到的是考 慮

24、了尺寸效應的定向統(tǒng)計抗剪強度參數，可直接應 用于工程巖體的穩(wěn)定性評價和加固處理方案設計, 特別適用于短工期要求的高速公路隧道和路塹邊坡 穩(wěn)定性分析巖體結構面抗剪強度綜合評價應用 技術規(guī)程的頒布，為巖體結構面抗剪強度綜合評 價方法的工程應用提供了操作依據3參考文獻1 Richard E Goodman t Gen - hua Shi. Block theory and its appli- cation to rock Engineering M . London: Prentice - Hall,1985.2 谷德振.巖體工程地質力學基礎、1.北京：科學出版社, 1979.3 王思敬壩基巖體工

25、程地質力學分析M.北京:科學出版社, 1990.4 孫廣忠?guī)r體結構力學M.北京:科學出版社,1988.5 杜時貴.巖體結構面的工程性質M.北京：地震岀版社, 1999.6 杜時貴巖體結構面抗剪強度經驗估算M.北京:地震出版 社,20057 李先煒巖體力學性質M.北京:煤炭工業(yè)岀版社,1990.8 Barton, N Review of a new shear strength criterion for rock joints J. Eng Gelo, 1973,(7) ：579 6029 Barton N, Choubey V. The sihear strength of rock joi

26、nts in theory and practice J. Rock Mechanics91977f ( 10) ： 1 5410 國際巖石力學學會(ISRM).巖石力學試驗建議方法M.北 京:煤炭工業(yè)出版社,1980,189 -207.11 Barton N , Baiidis S. Review of predictive capabilities of JRC - JCS model in engineering practice J. Rock Joints, 1990,603 610.12 杜時貴，潘別桐黃河小浪底水庫風雨溝西側邊坡穩(wěn)定性研 究J.地球科學,1992,(6):709

27、- 718.13 杜時貴，樊良本大溪嶺隧道圍巖結構面抗剪強度J.浙江 工業(yè)大學學報,1995,23(3):268 272.14 潘別桐巖體力學M.武漢:中國地質大學出版社,1990.15 Du Shigui. Research on complexity of surface undulating shapes of rock joints J . Journal of China University of Geosciences, 1998,9(1):86-89.16 杜時貴，唐輝明.巖體斷裂粗糙度系數的各向異性硏究J. 工程地質學報，1993,1(2) ：32 4217 杜時貴巖石結構面

28、粗糙系數JRC的尺寸效應研究J.地學 探索,1993,(8)：7077.18 杜時貴巖石節(jié)理粗糙度系數的分形特征J.水文地質工 程地質,1993,(33):36-39.19 Barton. N, Bandis S. Some effects of scale on the shear strength of joints J . Int. J. Rock Min. Sci. and Geomech. Absrt., 1980,(17):69 -73.20 Bandis S. Lumsden AC, Barton N R. Experimental studies of scale effects on the shear behaviour of rock joints. Int. J. Rock.Meeh. Min. Sci. and Geoinech. Abair. ,1981 ,(18) ：1 -12.21 杜時貴.巖體節(jié)理的力學效應研究J.現代地質,1994,8, 198 -208.22 郭志巖體結構面力學效應