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危岩主控结构面强度参数计算方法工程地质10049665/2008/16(01)-0037-05危岩主控结构面强度参数计算方法陈洪凯唐红梅(重庆交通大学岩土工程研究所重庆4ooo74)(重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室重庆400o40)摘要主控结构面强度参数c,是危岩稳定性分析的关键问题,目前仅根据贯通段和非贯通段的长度进行c,线性加权计算,与实际情况误差在40%左右.本文对主控结构面设计I1种贯通率(10%,30%,50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%,85%和90%),预制20cmX10cmX5cm的M15砂浆试件并进行直剪试验,获得了c,值与贯通率之间的非线性实验曲线,据此建立了考虑不同贯通率和防治工程安全等级的危岩主控结构面c,值计算方法,即贯通率法;实际应用中,只需量测主控结构面的贯通率并采用常规试验确定危岩完整岩石的单轴抗压强度和内摩擦角,因此,该方法易于操作,计算结果与实际情况基本一致.关键词岩石力学剪切试验主控结构面c,值贯通率法危岩中图分类号:P642.21.0346.1文献标识码:AMETHODFORCALCULATINGSTRENGTHPARAMETERSOFSTRUC.TURALPLANESCONTROLLINGTHEROCKBLOCKSTABLITYCHENHongkaiTANGHongrnei()lastituteofGeotechnicalEngineering.ChongqingJiaotongUniversity.Chongqing400074)(KeyLaboratoryFortheExploitationofSouthwesternResources&theEnvironmentalDisasterControlEngineering-MinistryofEducation,ChongqingUnivers,Chongqing4OOO44)AbstractItisoneofthekeyproblemstoidentifystrengthparametersCandofstructuralplanescontrollingthestabilityofrockblockinrockslopestabilityanalysis.Atpresent,theparametersarecalculatedwiththelinearweightmethodbylinkinglengthandnonlinkinglength.Itcancauseanell'orabout40%withtheactualstrengthvalues.ThispaperUSeS11setsofthelinkingratio:10%,30%,50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%,85%and90%.Blockysampleswithdimensionof20cmx10cmx5cmaremadeusingM15mortar.Further,shearsengthtestingiscarriedoutinlaboratory.ThenonlineartestingcurvesbetweenCandareobtainedforeacofthecontrolstructuralplaneandthelinkingratios.Accordingtotestingresults,amethodtocalculateCandforthecontrolstructuralplaneisestablished,wherethelinkingratioandthesafetygradeofcontrolengineeringarealsoconsidered.Itisnamedasthelinkingratiomethod.Inuseofthemethod,thelinkingratioofthecontrolstructuralplaneistobemeasureedinsitu.Theaxialcompressivesengthandfrictionalangleoftheintactrockcanbeobtmnedfromconventionallaboratoryrocktest.ThelinkingratiomethodCanbeusedwithease.Colculatedresultsarecomparedwellwithactualstrengthvalues.?收稿Et期:20070508;收到修改稿Et期:20070707.基金项目:国家自然科学基金项目(50678182).第一作者简介:陈洪凯,岩土工程专业.Email:Bialik38JournalofEngineeringGeology工程地质2008KeywordsRockmechanics,Sheartesting,Candvalueofcontrolstructuralplane,Linkingratiomethod,Un-stablerockblock1引言危岩是指由多组岩体结构面切割并位于陡崖或陡坡上稳定性较差的岩石块体及其组合J,其破坏具有突发性,致灾具有毁灭性.随着西部大开发战略的快速发展,高等级公路的13益涌现,现代化城镇的大量修建,以及大量库区就地后靠移民工程兴建,危岩灾害非常突出,如三峡库区便有危岩体5万多个,直接威胁着20多万人的生命安全和数百亿元的财产安全!全面实施危岩研究,工程实用价值重大.危岩防治工程实践中,首先必须对单个危岩体进行稳定性分析,确定其稳定系数J.危岩体在不同荷载组合下的稳定性计算方法中,核心问题是主控结构面抗剪强度参数的确定.陈洪凯等将危岩体后部贯通或断续贯通且力学强度较低的面或带定义为主控结构面_1.2.衡量主控结构面抗剪性能多采用粘聚力c和内摩擦角这两个参数,即莫尔一库仑准则7.=c+o'tan,其中7.和分别表示极限状态下的剪应力和法向应力.岩体结构面现场直剪试验是确定岩体结构面抗剪强度参数最直接有效的方法,但是受到经济和技术等条件的限制,除了重要的大型工程外,一般工程进行现场大剪试验的条件并不现实.探索一种简单,快捷而合理的抗剪强度参数计算方法长期激励着广大岩土及地质工程科技工作者.迄今,涌现出基于现场试验的数理统计法,室内力学试验方法J,模糊聚类法.8和分形拟合方法等'mJ,这些方法未考虑结构面的贯通性以及防治工程安全等级,在危岩灾害防治中均具有一定的局限性.本文基于室内试验建立危岩主控结构面抗剪强度参数计算方法即贯通率法,对规范法_3进行了修正.2规范法.重庆市地方标准地质灾害防治工程设计规范(DB50/50292004)根据主控结构面贯通部分和未贯通部分的强度参数按照长度加权建立了危岩主控结构面综合强度参数的等效算计算法,即c=(1)C=_一llJ(风一e0)1+e00一(2)式中,c和分别为主控结构面的等效粘聚力(kPa)和等效内摩擦角(.);c.和.分别为危岩主控结构面贯通段的平均粘聚力和平均内摩擦角;c和分别是危岩主控结构面未贯通段的粘聚力和内摩擦角,通常取组成危岩体的完整岩石相关参数的0.7倍;风和e.分别为危岩体高度和主控结构面贯通段长度,单位均为m.3贯通率法为了获取主控结构面不同贯通条件下的强度参数c,值,本文作者自行研制了试验设备.在室内通过预制不同贯通度的高标号砂浆试件,试件尺寸:长(20cm)X高(10cm)X宽(5cm),贯通率取11种,即10%,30%,50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%,85%和90%(图1).对11组共计63个试件进行不同法向荷载作用下的直剪试验,运用YE2539型高速静态应变仪进行数据自动采集(图2,表1).表1具有不同贯通率试件的强度参数试验结果'Table1Testingresultsofsamplesstrengthparameterswithvariouslinkingratio16(1)陈洪凯等:危岩主控结构面强度参数计算方法39图1不同贯通度主控结构面试件Fig.1Sampleswithvariouslinkingratio一图2试件断裂形迹Fig.2FractureformalitiesofsamplesJournalofEngineeringGeology工程地质2008假定为主控结构面的贯通率(%),为岩石的单轴抗压强度标准值(kPa),为岩石的内摩擦角标准值,则可构建强度参数状态方程:C=c(R,)(3)=(R,)(4)根据试验获取的强度参数,分别整理为(C,R)和(,R)数列,并对试验获取的主控结构面强度参数c,值进行无量纲化处理,分别定义为当量粘结力C和当量摩擦角.其中,当量粘结力由试验粘结力除以试件的单轴抗压强度标准值,当量摩擦角由试验摩擦角除以试件内摩擦角.于是,(C,R)和(i,R)数列分别转化为(c,)和(,R)数列(图3),所得非线性拟合方程分别为C=(一0.0160R+0.9388R+52.815)×10一(5)=(一0.0011R+0.0729R+8.996)×10一(6)式中,主控结构面贯通率用百分数表示,(5)式和(6)式的拟合系数分别为0.9835和0.9496.日2好撂蚓一02赚避蚓图3当量粘结力和当量摩擦角一贯通率关系Fig.3DimensionlessviscousforceandfrictionansleVS.1inkingratioa.粘结力一贯通率.b.摩擦角一贯通率假定不同贯通率的主控结构面强度参数符合(5)式和(6)式关系,则主控结构面的强度参数c,值分别由下面两式计算.C=kocR(7)=0(8)式中,为危岩体完整岩石的单轴抗压强度标准值(MPa),为危岩体完整岩石的内摩擦角(.),可通过现场取样,在室内进行常规试验获取,k和k为强度参数修正系数,可根据防治工程安全等级按照下列原则取值:一级:k=0.80,k=0.75二级:k=0.85,k=0.80三级:k=0.90,k=0.85值得指出的是,针对不同的危岩体,主控结构面的贯通率通常不相同,需要经过不同贯通率的敏感性试验确定当量粘结力C和当量摩擦角,但在缺乏必要的测试资料时可由(5)式一(8)式作为一般硬质岩石的主控结构面强度参数计算方法.4规范法与贯通率法的比较以三峡库区重庆市万州太白岩南坡W9危岩为例,危岩体长18m,宽(厚)4m,高18m,安全等级为一级,主控结构面贯通段长度1.8m,即贯通率为10%,危岩体的C=400kPa,=35.,裂隙面的强度参数分别为70kPa和25.,完整岩石的标准抗压强度28MPa.运用公式(1)和(2)式计算的强度参数c,值分别为103kPa和26.,运用贯通率法得到的强度参数分别为135.8kPa和26.9.,分别比用规范法计算的数值增大24.1%和3.3%,但是,该危岩治理工程施工监控反映采用贯通率法计算的结果更符合实际情况.该方法已经在重庆市潼南县及江津区四面山风景区300余个危岩勘察中得到应用.5结论(1)危岩主控结构面抗剪强度参数并不是随岩体贯通度的增大而成线性减小的规律,当贯通率较小时,危岩强度参数降低较小,在贯通率较大(50%以上)时,危岩强度参数急剧降低.(2)本文建立了主控结构面强度参数c,计算方法即贯通率法,是在强度较大的砂浆试件基础上得到的,所以对于硬质岩石较为适用.(3)贯通率法只需要量测具体危岩体的主控结构面总长度,贯通率并结合完整岩石的室内直剪试验或三轴试验结果,因此,该方法操作性强,便于推广应用.16(1)陈洪凯等:危岩主控结构面强度参数计算方法41进一步研究中,应采用损伤力学方法对贯通率法予以修正,并开展3D主控结构面强度参数计算方法研究.参考文献1ChenHongkai,TangHongmei,trolfissureinperilousrockJ.ics,2006,27(3):967974.2346YeSiqiao.lllIagemodelofconAppliedMathemcsandMechan一7陈洪凯,唐红梅,叶四桥,等.危岩防治原理M.北京:地震出版社,2006.ChenHongkal,TangHongmei,YeSiqiao,eta1.ThePrincipleofPerilousRockPreventionandContro1.Beijing:ScismPress,2006.重庆市地方标准.地质灾害防治工程设计规范(DB50/50292oo4)S,2004Chongqinglocalstandard.Designstandardofgeologicaldisasterpreventionandcontrol(DB50/50292004),2004.陈洪凯,唐红梅,王蓉.三峡库区危岩稳定性计算方法及应用J.岩石力学与工程,2004,23(4):614619.ChenHongkal,TangHongmei,WangRong.CalculationmethodofstabilityforunstablerockandapplicationtotheThreeGorgesReservoir.ChineseJ0umalofRockMechanicsandEngineering,2004.891023(4,:614619.P.H.S.W.Kulatilake,G.Shou,T.H.Huang,SpectralbasedpeakshearstrengthcriterionforrockjointsJ.JournalofGeoteehnicalEngineering,1995,121(11):789796.MitiyasuOhnaka.N.OnuniformityoftheconstitutiveLawpaFanletersforShearRuptureandquasistaticNucleationtodynamicrup-ture:aphysicalmodelofearthquakegenerationprocesses.Pro-ceodingsofthenationalacademyofsciencesoftheUnitedStatesofAmerica,1996,93(9),37953802.王鹏,赵学亮,万林海,等.基于GA和FCM的岩体结构面的混合聚类方法J.北京科技大学,2004,26(3):227232.WangPeng,ZhaoXueliang,WanLingaM,eta1.MixassemblemethodofstructuresbyGAandCM.JournalofBeijingScienceandTechnologyUniversity,2004,26(3):227232.R.E.Hammah.J.H.Curran.Fuzzyclusteralgorithmfortheauto-maticidentificationofjointsetsJ.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1998,35(7),889905.杜时贵.岩体结构面的工程性质M.北京:地震出版社,1999.DuShigui.EngineeringFeaturesofRockMassStructuralSurface.Beijing:SeismPress,2006.P.H_S.W.Kulafilake,P.Balasingam,JinyongParketa1.NaturalrockjointroughnessquantificationthroughfractaltechniquesJ.GeetechnicalandGoologicalEngineering,2006,2.4(5):ll8l一1202.