异性结构面剪切特性及抗剪强度计算方法

作     者：袁维 赖锡鹏 孙瑞峰 焦海明 王伟 牛庆合 常江芳 尹超 

作者机构：石家庄铁道大学土木工程学院 中铁十七局集团城市建设有限公司 

出 版 物：《工程科学与技术》 (Advanced Engineering Sciences)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：河北省自然科学基金项目(E2021210128) 河北省重点研发计划项目(22375402D 22375420D) 河北省自然科学基金优秀青年基金项目(E2021210041) 湖南省自然科学基金面上项目(2022JJ30641) 国家自然科学基金项目(11902208) 

主　　题：异性结构面 直剪试验 数值模拟 峰值抗剪强度 强度比区间 

摘      要：天然结构面常存在两侧岩体岩性不一致的情况,因此对该种异性结构面抗剪特性的研究有利于对复杂地层中岩石的稳定性进行更加全面的分析。首先通过光学扫描技术获取天然结构面形貌点云数据并构建结构面网格模型,其次将模型进行三维实体重构用以浇筑多组含不同异性结构面的人工试样,然后开展不同法向应力及剪切方向条件下的直剪试验,最后通过有限差分仿真模拟软件Flac3d进行数值模拟。基于JRC-JCS (joint roughness coefficient-joint wall compressive strength)结构面剪切模型,采用二维剖面法量化处理结构面粗糙度系数JRC,引入结构面组合壁面强度CJCS (combined joint wall compressive strength)及壁面强度系数比λ的概念以体现不同强度组合情况下的结构面抗剪特性差异。结果表明:数值模拟与直剪实验结果的规律性表征情况较为一致,并且发现在结构面单轴抗压强度较高或者较低一侧被确定时,强度较低侧对结构面峰值抗剪强度起到主要的控制作用,强度较高侧则起到一定的增强作用,且壁面强度系数比λ对峰值抗剪强度的影响与法向应力的数值成正比。基于上述现象,用相关函数对试验结果进行非线性曲面拟合,推导出一种表征不同岩石强度组合情况下的结构面峰值抗剪强度计算公式,并得出有效影响岩石结构面强度的强度比区间,该新型公式是对JRC-JCS模型的扩展并且可以在工程实践中广泛应用。