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硬性结构面粗糙度系数量化确定及其工程应用


Vol. 37 No. 3 May 2010

水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY & ENGINEERING GEOLOGY

第 37 卷 第 3 期 2010 年 5 月

硬性结构面粗糙度系数量化确定及其工程应用
吉 锋 610059 ) ( 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室

,成都

摘要 : 本文通过对硬性节理表面粗糙度系数 JRC 量化确定 的 研 究, 对 包 括 Barton 推 荐 标 准 曲 线 在 内 的 大 量 结 构 面 起 伏 曲线矢量化分析, 利用期望值的概念反映结构面起伏曲线 粗 糙 度 JRC , 建 立 JRC 与 起 伏 曲 线 高 度 、 坡度两个因素的经验 为 Barton 理论公式法快速预测结构面参数提供了充足条件, 并用理论公式法预测成果与试验成果进行对比分析 。 公式, 关键词 : 硬性结构面;粗糙度系数;量化确定;工程应用 中图分类号 : TU457 文献标识码 : A 3665 ( 2010 ) 03008403 文章编号 : 1000-

结构面是控制边 坡 、 地下硐室等岩石工程稳定性 的关键因素
[ 1 ~ 2]

。 理论公式计算法是预测结构面参数 Z =

∑( x
n i=1

的重要方法之一, 主要是根据一定的剪胀理论或试验 总结提出 来 的, 其 应 用 均 有 一 定 的 假 设 性 和 局 限 性。 经过许多学 者 不 断 修 正 完 善, 目 前 Barton 的 JRC-JCS 模型在工程中应用较广 。 Barton 理论公式 中, 结 构 面 壁 的 抗 压 强 度 JCS 和 残余摩擦角 φ r 均可根据试验获取, 公式中最难确定的 各 是结构面粗糙 度 系 数 JRC 。 为 了 获 得 粗 糙 度 系 数, 国学者进行了大量的 研 究, 其中最多的是通过对曲线 的统计量或 曲 线 的 分 形 维 数 与 曲 线 JRC 值 之 间 关 系 的分 析, 建 立 回 归 方 程, 并 以 此 来 估 算 JRC 。 但 是, 由 于结构面的各向异性, 到目前为止尚无一种统一的方 法适用于任何结构面的 JRC 确定 。
n

yi + 1 — — —粗 糙 轮 廓 线 上 水 平 坐 标 分 别 为 xi 、 式中: y i 、 x i + 1 的高度; n— — — 剪切方向上的测点数 。



y i +1 - y i i +1 - x i n -1

)

2

(1)

图1

某结构面轮廓曲线计算剖面示意图 Schematic profile showing the curve of a structure plane

Fig. 1

1

粗糙度系数 JRC 值量化研究
部分 文 献
[ 1]


i=1

建议利用坡度均方根 Z 来反映坡度

Z2 =

的起伏 度, 回 归 出 Barton 标 准 曲 线 的 坡 度 均 方 根 与 JRC 值的关系函数 ( 式 1 ) , 但若遇到图 1 所示的起伏 面呈阶坎状形态, 此 时 分 母 为 零, 虽 然 只 是 局 部 问 题, 但对计算结果的敏 感 性 非 常 大 。 本 文 建 议:由 于 所 关 心的是轮廓曲线的坡 度 与 JRC 的 关 系 值, 因此用正弦 值代替正切值反映坡度起伏, 可以避免出现上述问题, 修正后的公式, 如式 2 。

另外, 通过大量 试 算 发 现 坡 度 均 方 根 与 分 割 曲 线 的点数( n ) 密切相关 。 坡度均 方 根 存 在 因 人 而 异 的 问 题, 对于同一条曲线 JRC 值差别较大 。 如图 2 所示 的 轮廓曲线, 由于曲线分割数的不同, 一条曲线有众多不 工程 人 员 仅 通 过 JRC 值 难 以 准 确 刻 同解且相差较大, ( b) 、 ( c) 三 种 不 化曲线的起伏程度 。 如按照图 2 ( a ) 、 0. 09 、 同的分割方 式, 得 到 的 坡 度 均 方 根 分 别 为 0. 1 、 0. 07 。 因此, 用此值来刻画轮廓曲线存在问题, 建议采 用坡度期 望 值 代 替 坡 度 均 方 根 来 刻 画 轮 廓 曲 线 的 坡 即在矢量化曲线后, 对同一坡度曲线计算其在整个 度,



(槡

y i +1 - y i

( x i +1 - x i ) 2 + ( y i +1 - y i ) 2 n -1

)

2

(2)

0817 ; 修订日期 : 20091030 收稿日期 : 2009作者简介 : 吉锋( 1980-) , 男, 博士, 主要从事岩土及工程地质教 学及科研工作 。 E-mail : jeifens@ 163. com

长度上的分布概率密度, 然后求得该段的坡度期望值, 其能比较准确且唯一的刻画坡度对起伏度的影响 。 对于图 2 ( a ) 所示 的 轮 廓 曲 线, 总 长 为 2 h, 分割为 2 段, 第一段坡度 正 切 值 为 0. 1 , 第一小段长度占总长

第3期

水文地质工程地质

· 85 ·

的概率密度为 1 /2 ( 即 h / 2 h ) , 第二小段坡度正切值为 0, 第一小段长度占总长 的 概 率 密 度 为 1 /2 ( 即 h / 2 h ) , 则该轮廓曲线坡 度 期 望 值 为 ( 0. 1 × 1 /2 ) + ( 0 × 1 /2 ) = 0. 05 。 同理, 对于图 2 ( b ) 的 坡 度 期 望 值 为 0. 05 , 图 2 ( c ) 的坡度期望值亦为 0. 05 。

— — 轮廓曲线坡度期望值 。 α—

图3 Fig. 3 图2 某结构面轮廓曲线计算剖面示意图 Schematic profile showing the curve of a structure plane

结构面起伏粗糙轮廓线

Undulating curve of the structure plane Barton 典型曲线主要参数量化表 Parameters of the Barton typical curve

表1 Table 1

Fig. 2

另外, 仅用高度参 数 不 能 够 完 全 刻 画 轮 廓 曲 线 的 粗糙起伏度, 如两条结构 面 坡 度 均 为 45° , 但是高度起 若仅用坡度参数来刻画, 显然两条曲线的粗 伏差不同, 糙度值是一样的, 这与常规定性判断不符 。 因此建议: 除坡度期望值外, 还应包括高度期望值, 方能比较全面 地考虑结构面的起伏度 。 但是高度起伏值的基准线选择是个非常困难的问 如图 3 ( a ) 所示 的 结 构 面 起 伏 轮 廓 线 ( 泥 岩 与 砂 岩 题, 若分别选择 以 底 部 和 顶 部 为 基 准 线, 得到的高 交界) , 度均值显 然 不 同 。 以 底 边 界 为 基 准 线 也 存 在 如 图 3 ( b ) 和图 3 ( c ) 的差 异, 仍然不能够保证高度参数确定 本文通过大量试算, 确定以曲线 方法的唯一性 。 为此, 起始点中心 线 为 基 准 线 ( 图 3 ( d ) ) , 求取轮廓曲线到 能够唯一性的确定结构面的高度 中心线的平均高度, 期望值, 解决了因人而异的问题 。 通过前述大量分 析, 确定以高度期望值和坡度期 对 望值两个参数来描 述 曲 线 的 起 伏 度 。 通 过 此 方 法, Barton 的典型 曲 线 进 行 了 量 化 处 理 并 回 归 关 系 函 数 ( 表 1) 。 通过上述 数 据 可 回 归 出 轮 廓 曲 线 高 度 和 坡 度 与 JRC 值的关系函数如下: JRC = 2. 8 H 2 + 39 H + α - 0. 8 — — 轮廓曲线高度期望值; 式中: H — (3)

2

工程应用
利用 Barton 强度理论公 式, 在 JRC 量 化 确 定 的 基

其余参数通过如下方法获 取: JCS 是 结 构 面 两 侧 础上,

· 86 ·



锋:硬性结构面粗糙度系数量化确定及其工程应用

2010 年

岩石的单轴抗压强度值, 当两侧岩体没有受到风化时, 可采用岩石常规单轴 抗 压 试 验 和 点 荷 载 试 验 确 定, 或 采用已有的试验 、 经验数据, 但当两侧岩体风化较严重 时, 可以在现场利 用 回 弹 仪 进 行 测 定 。 根 据 回 弹 测 定 的 N 值, 用 Barton 建议的如下经验公 式 求 取 隙 壁 岩 石 的抗压强度( JCS / MPa ) : lnJCS = 0. 0199 ρ d · N + 2. 326 — — 岩石的干密度( g / cm ) ; 式中: ρ d — N— — — 隙壁岩石回弹平均值 。 残余摩擦角 φ r 指非剪胀平直面的残余摩擦角, 可 以通过对未风化平直光滑结构面进行直剪试验来估算
表2 Table 2
3

获得 。 试验表明, 结构 面 的 基 本 摩 擦 角 与 结 构 面 面 壁 上的回弹值 N 之 间 强 烈 相 关 。 根 据 理 查 兹 ( 1975 ) 在 极低正应力( 0. 17MPa ) 下的风化裂隙上的试验结果及 Barton 在岩石上的残余摩擦试验结果进行回弹值 N 与 残余摩擦 φ r 的线性回归, 得: ? r = 0. 414 N + 9. 273 (5) 根据野外调研, 选取某拟建高速公路边坡中不同 岩性 、 不同风化程度的结构面, 用笔者自主研制的接触 打孔器
[ 5]

(4)

绘制节理起 伏 曲 线, 并量化处理得到粗糙度
[ 1]

JRC , 按上述方法求取结 构 面 峰 值 抗 压 强 度, 并与相应 结构面的试验抗剪强度 进行对比, 结果如表 2 。

改进 Barton 公式方法预测硬性结构面抗剪强度与相应抗剪实验结果对照表

Comparison of predicted achievement according to the improved barton formula law and shear test
面壁粗糙度系数 面壁回弹值 岩石抗压强度 基本摩擦角 JRC N 23 45 32 28 20 JCS ( MPa ) 29. 33 80. 29 44. 28 36. 88 25. 57 φb ( o ) 18. 8 27. 9 26. 7 20. 9 17. 6 Barton 公式估算值 C ( kPa ) 32. 1 54. 8 105. 3 72. 8 103. 4 内摩擦角 φ ( ° ) 21. 43 33. 17 30. 73 26. 74 24. 62 150 28 直剪试验值 C ( kPa ) 130 内摩擦角 φ ( ° ) 27. 3

试件编号

隙壁岩类

1 2 3 4 5

新鲜紫红色泥岩 新鲜浅灰色砂岩 微风化砂岩 中风化浅灰色粉砂岩 强风化粉砂岩

2. 9 4. 0 7. 8 6. 0 8. 6

可见, 由改进的 Barton 公 式 方 法 预 测 的 硬 性 结 构 面抗剪强度与试验值 较 为 接 近, 以直剪试验结果为标 准, 改进 Barton 公式方法 计 算 的 内 摩 擦 角 误 差 大 部 分 在 8. 8% ~ 21. 3% , 平均为 15% , 结果较为理想 。

J] . 铁道工程学报, 2006, 12(9):16 - 19. 度的确定[ [2 ] 吉锋 . 顺 层 边 坡 硬 性 结 构 面 强 度 参 数 及 工 程 技 术 . 成都:成都理工大学, 2008. 研究[D ] [3 ] 刘明 维, 傅 华, 吴 进 良. 岩 体 结 构 面 抗 剪 强 度 参 数 . 重 庆 交 通 学 院 学 报, 确定方法的现状和 思 考[J ] 2005 , 24 ( 5 ) :65 - 67. [4 ] 刘克辉, 陆文 . 岩体结构面 不 同 剪 切 方 向 的 抗 剪 强 . 矿业 研 究 与 开 发,2009 ( 2 ) : 度模拟试验研究[J ] 5 - 8. [5 ] Grasselli G , Egger P. Constitutive law for the shear strength of rock joints based on three - dimensional surface parameters [J ] . International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences , 2003 , 40 :25 - 40. [6 ] 吉锋 . 一种 新 型 的 结 构 面 起 伏 形 态 测 量 工 具 - 接 触打孔器的研 制[C ] ∥第三届全国岩土与工程学 2009. 术大会论文集,

3

结论
( 1 ) 通过对包括 Barton 推荐标准 曲 线 在 内 的 大 量

结构面起伏曲线矢量 化 分 析, 利用期望值的概念反映 结构面起伏曲线粗糙 度 JRC , 建 立 JRC 与 起 伏 曲 线 高 度、 坡度两 个 因 素 的 经 验 公 式, 为 Barton 理 论 公 式 法 快速预测结构面参数提供充足条件 。 ( 2 ) 将理论公式法预 测 成 果 与 试 验 成 果 进 行 对 比 分析, 结果表明, 修正后的理论公式与试验成果平均误 差在 15% , 整体吻合较好, 为进一步推广提供依据 。 参考文献 :
[1 ] 封志军, 赖紫辉 . 边坡极限平衡分析中结构面抗剪强

( 下转第 101 页 )

第3期

水文地质工程地质 GB 3838 - 2002 地 表 水 环 境 质 量 标 准[S ] . 北 京: 中国标准出版社,2002

·101·

[9 ] 丁玲, 李 碧 英, 张 树 深. 海 岸 带 海 水 入 侵 的 研 究 进 . 海洋通报,2004 ,23 ( 2 ) : 82 - 87. 展[J ]

Key problems of the groundwater environmental assessment for petrochemical projects in littoral zones
ZUO Rui ,WANG Jin-sheng ,YANG Jie ,TENG Yan-guo ,WANG Rui ( College of Water Science / Engineering Research Center of Groundwater Pollution Control and Remediation of the Ministry of Education ,Beijing Normal University ,Beijing 100875 ,China )

Abstract : Owing to the concealment and retardation of groundwater contamination , especially for the petrochemical projects with the pollution characteristics as multi-type , high environmental risk , illegible protect-object ,the assessment of original groundwater environment is important. Based on the analysis of the large-scale petrochemical project on the littoral zone of the Pearl River Delta ,this paper gives the exploratorydiscussion of the determination of the protect-object and assessing standard of groundwater environment , estimation of the contaminating sources and protecting measures. Some credible experience is also offered for the similar groundwater environmental assessment. Key words : groundwater ; environmental assessment ; littoral zone ; petrochemistry ; evolution standard 责任编辑 : 汪美华 ??????????????????????????????????????????????????? ( 上接第 86 页 )

Quantization research and project application of roughness coefficient of a rigid structure plane
JI Feng ( State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection , Chengdu University of Technology ,Chengdu 610059 ,China )

Abstract : The theoretical formula method is an important and effective method in intensity parameter research. The JRC-JCS method of Barton is one of the most frequently used method. However ,the results of the Barton method vary with each individual since it is influenced by the roughness coefficient JRC and it is difficult in quantization. Through the quantitative analysis of JRC ,a large number of structure undulating curve and tandard curve that Barton recommends is analyzed with the vector ,and the concept of expected value to reflect the roughness JRC of undulating curve of the structure plane is utilized. Empirical formula on JRC value and height and slope of the undulating curve is set up ,thus sufficient conditions in predicting intensity parameter of theoretical formula method are offered. The prediction achievement of the theoretical formula method and test achievement are compared and analyzed. Key words : hard structural plane ; roughness coefficient ; quantization study ; project application 责任编辑 : 张若琳


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