【《某地区边坡结构调查及岩体物理力学参数分析案例》5300字（论文）】

某地区边坡结构调查及岩体物理力学参数分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u8357某地区边坡结构调查及岩体物理力学参数分析案例 1102401.1岩体结构面特征分析 1146051.1.1岩体结构面调查方法 1316111.1.2岩体结构面现场调查 2211521.1.3岩体结构面特征分析 6134001.2岩石物理力学参数 7211011.2.1岩石直剪试验 711271.2.2岩石弹性模量测定试验 1020441.3巴顿模型计算岩石力学参数 12138611.1.1巴顿模型 12124481.1.2岩石力学参数计算 15254011.4小结 16岩体的结构特性是指岩石块体与结构面在不同空间组合下产生的特征。岩体结构的好坏决定了岩质边坡的稳定与否，一般情况下，完整的岩体稳定性好与裂隙发育的岩体。岩体边坡结构特征控制着岩体的形变过程、破坏模式。再者，岩体结构特性也一定程度上决定了岩体力学参数，岩体力学参数一般与岩体的完整程度呈正相关。现场地质勘查获得岩体的结构面产状信息和相关参数，岩体力学试验获得岩体物理力学参数，对岩石力学参数进行一定的修正有利于在计算中还原岩石在岩体中的性质，这都为下一步对下木江坪边坡稳定性作出准备。1.1岩体结构面特征分析1.1.1岩体结构面调查方法在岩体调查时主要是对出露的岩体进行调查，但岩体常常被落石掩埋或植被覆盖，且岩体整体区域范围较大，部分区域不易勘察，因此我们需要科学有效的办法来对岩体进行调查。目前世界上对于岩体结构调查的方法主要有以下三种：（1）PrestSDADDINNE.Ref.{2E69A401-97CA-4A1E-B2BD-9B562BE8E602}[78]等人研究了通过测线法对出露岩体进行测量获取岩体信息；（2）通过钻孔岩心推测岩体内部结构面分布的统计方法；（3）基于无人机影像或红外扫描等的数字技术测量方法。本文选用测线法对边坡出露岩体进行调查。测线法是指在某一出露良好的岩体选取一定长度布置测线，记录测线方位，然后在测线范围内测量结构面产状，并记录结构面特征，该方法以点见面，快捷高效。图3-1测线法示意图1.1.2岩体结构面现场调查上木江坪边坡已经发生部分滑塌，边坡两侧植被覆盖尚未发生滑塌，可见坡体两侧和顶部有部分岩体向坡体中部滑移，说明边坡两侧岩体在受到应力干扰的情况下有向已形成的崩塌后缘滑移的趋势，坡体底部坡脚处有部分堆积物。上木江坪边坡（图3-2）位于二河左岸，海拔约1060m，该边坡高约350m，坡度为45°~80°。边坡表面地带第四系粉质黏土、块石土覆盖层厚度较大，基岩为斜长花岗岩，边坡上部植被较发育，中部卸荷裂隙发育，下部坡角破碎岩石堆积，隧道洞口所在坡面有散落岩块，G350国道穿越坡体南部。边坡处于地震高发区，由于长期风化、卸荷等外界地质应力作用，边坡节理发育，节理产状不稳定，且组合形式多样，与常见的层状结构面边坡在地质构造方面有很大差异。图3-2上木江坪边坡地形图研究点处表面风化严重，表面呈灰色、灰黑色，出露三组优势节理面，节理面局部裂隙中有植被发育或水滴渗出，节理延伸均超过300cm，而裂隙宽度均为1cm左右，坡体上部可见部分宽大裂隙达3cm以上。结构面表面见卸荷、原生裂隙交错。三组节理面组成楔形，向坡面外部缓倾，这三组节理主要控制坡体稳定。图3-3研究点测线图图3-4岩体临空面图3-5岩体结构面上木江坪滑塌中部，岩体表面风化强烈，部分岩体破碎，坡体底部有落石堆积（图3-6）。边坡节理裂隙发育且结构破碎，主要发育三组优势节理，裂隙宽度均大于1cm，延伸长度大于100cm，局部裂隙有苔藓及草木发育。图3-6岩体节理坡体部分可见共轭剪节理，两组节理形成共轭的“X”形，如图3-7所示，节理较为平直且连续，延长较远，且闭合程度较好，其形成时期较早，后被其他风化裂隙切割，使得节理错断。由共轭剪节理形态可以看出岩体主要受到较大的纵向压应力，岩体沿与最大主应力45°夹角方向破裂错动。图3-7共轭剪节理1.1.3岩体结构面特征分析运用测线法调查了15m测线内出露的99条节理，通过对节理产状的调查统计得出边坡岩体节理空间分布示意图。裂隙等密图（图3-8）表明裂隙主要分布在SSE方向，这一方向的裂隙倾角以20~60°为主，而NE方向和WS方向也有少量裂隙分布，其倾角均在80~90°。倾向玫瑰花图（图3-9）和走向玫瑰花图（图3-10）表明边坡的节理倾向主要在分布在SE方向和S方向，节理走向则主要为NE-SW走向和W-E走向。倾角直方图（图3-11）表明岩石节理倾角主要分布在20~90°，其中40~50°分布最多，有18条。图3-8裂隙等密图图3-9倾向玫瑰图图3-10走向玫瑰图图3-11倾角直方图经统计分析后，得出三组优势结构面产状，这些节理主要为构造裂隙以及风化裂隙，延伸长度较长，闭合度较好，表面分布大量细小裂隙。其特征分析如表3-1所示。表3-1边坡结构面调查表结构面产状特征J1202°∠75°节理陡倾，与坡面近正交。表面粗糙度JRC=12-14，表面潮湿，结构面间距150cm，裂隙宽度1~10cm，结构面有黄褐色泥质填充，延伸长度大于11m。J2136°∠33°节理倾向与坡面方向小角度斜交，表面潮湿，表面粗糙度JRC=6-8，无填充，裂隙宽度约0.5cm，表面干燥，结构面间距约100cm，延伸长度约4.5mJ3144°∠55°节理大角度倾向坡面内部，表面粗糙度JRC=10-12，无填充，裂隙宽度约0.5cm，表面潮湿，结构面间距约200cm，延伸长度7m。1.2岩石物理力学参数1.2.1岩石直剪试验岩石直剪试验是对岩石实惠价垂直方向和水平方向荷载，对岩石进行水平方向剪切，读取岩石剪切破坏时的读数，然后及计算出法向正应力和水平向剪应力，继而根据库伦定律绘制正应力σ与剪应力τ关系曲线，求得岩石的抗剪强度指标：内聚力C和内摩擦角φ。图3-12直剪试验原理示意图图3-13试验装置计算法向应力：σ=I式中：σ——法向应力（MPa）；IσIσSv——法向油缸活塞面积（m2G——传压铁块、滚珠轴承的总重（MN）；Sj——剪切面面积（m2计算剪应力：τ=式中：τ——剪应力（MPa）；IτIτSh——剪切油缸活塞面积（m2Sj——剪切面面积（m2按照试件制定规则将岩样切割成5cm×5cm×5cm立方体，各边长公差不大于0.3mm或小于0.1mm，将岩样各面磨平。试验采用快剪法，将试件进行编号，放入岩石直剪仪，夹具与试件调整好后，法向荷载Iσ设置预定值不变，缓慢施加剪切荷载，直至试件破坏，记录破坏时的切向油缸压力表读数Iτ。试验仪器中方向油缸面积122.72cm2，传压铁块、滚珠轴承的总重100N，剪切油缸活塞面积95cm2表3-2直剪试验数据岩样编号剪切面积（cm2）垂直压力荷重水平压力荷重Iσ正应力σ（MPa）Iτ剪应力τ（MPa）125.860.651.111.555.68225.151.045.132.148.08326.051.507.092.639.60425.341.909.252.9511.06525.112.1510.541.1111.77625.642.7211.064.0414.97由莫尔—库伦强度理论可知，τ=σtanφ+C，将表3-2数据进行最小二乘拟合，得到图3-14岩样正应力与剪应力关系图。零点到拟合线段与Y轴的交点的距离为粘聚力C，拟合线与X轴的夹角为岩石内摩擦角φ。由图3-14得出，上木江坪边坡岩样粘聚力C为1.图3-14正应力与剪应力关系图1.2.2岩石弹性模量测定试验岩石的弹性模量是评价岩石抵抗弹性形变能力的指标之一，也是表征岩石力学性质的指标之一。一般地，当弹性体收到外力作用会发生形变，弹性模量就是针对弹性体提出的概念，弹性体受到单向应力后在改方向发生形变，此时的单向应力与相应的该方向的形变（应变）的比值即为弹性模量。根据胡克定律，弹性体在弹性变形阶段应力越大应变越大，相应地，弹性模量越大，岩石刚度越大，相同应力作用下的弹性形变也越小。本文采用运用广泛的静态测量法对岩石弹性模量进行测定。岩石的弹性模量可根据公式（3-3）计算得出：E=σ式中：σbσaεbεa泊松比是法国力学家泊松在1829年提出，是指材料受到某一单向拉应力或压应力时，其轴向和横向都会因此产生形变，其轴向应变与垂向应变比值的绝对值即为泊松比，泊松比能反映材料受到轴向应力后横向变形的能力。有定义可得，在弹性范围内泊松比的计算公式如下：μ=εx式中：μ为材料的一个弹性常数，称为泊松比。试验首先对上木江坪边坡钻孔岩样的端面磨平，用切割机和打磨机将岩样制作成高100mm，直径50mm，高径比2.0的圆柱体标准试件，制作4组试件。将打磨规范的岩样试件放入试验仪器，通过计算机控制开始试验。图3-15弹性模量测定试验装置经计算机记录并计算，得到4组岩样试件的弹性模量值E和泊松比μ如下表3-3所示。经岩石弹性模量测定试验得出，上木江坪边坡钻孔岩样得弹性模量为17.60GPa，泊松比为0.241。表3-3岩石弹性模量测量表岩样组号弹性模量（GPa）弹性模量均值（GPa）泊松比泊松比均值118.2617.600.2160.241216.320.287318.580.210417.240.2511.3巴顿模型计算岩石力学参数1.1.1巴顿模型抗剪强度是决定岩质边坡稳定性的一个重要指标，巴顿（Barton）模型是计算结构面抗剪强度的常用方法之一，其提出了岩体裂隙粗糙度等级JRC，使得实现了巴顿模型计算取值的差异性。巴顿模型能够对上文1.2.1岩石直剪试验中得出的内摩擦角φ与粘聚力C进行修正，将试验获得的库伦-摩尔抗剪强度参数转换成巴顿模型等效抗剪强度参数（图3-16），即等效内摩擦角φi和等效粘聚力Ci图3-16巴顿（Barton）模型Barton与Choubey等人对大量天然结构面进行了直剪试验，将试验结果进行统计归纳，提出了巴顿（Barton）模型，如公式（3-5）所示，等效粘聚力Ci与等效内摩擦角φτ=σCi=τ−σ∂τ∂σφi=logJCS式中：JRC（JointRoughnessCoefficient）——结构面粗糙度分级系数；JCS（JointCompressionStrength）——结构面抗压强度；φb——σnγ——岩石干容重（kN/m3）；ReJRC是结构面粗糙度系数，巴顿的典型裂隙面粗糙度分级作为参考（如图3-17），对结构面延长方向上的粗糙度（不平直程度）进行对比，并取得相应的JRC取值。图3-17典型裂隙粗糙度分级（引用BartonandChoubeyADDINNE.Ref.{A29E8E73-1DB5-4EFD-B36C-6BDEE33EAE9D}[79]）岩石回弹试验采用回弹仪进行，轻便灵活，可以再不破坏岩体结构面的基础上获得其初始回弹值，每个结构面采集多个点位参数。在处理岩石回弹试验数据时，为了避免野外测量造成的误差，在每一组共16个回弹值中去掉3个最大值和3个最小值，再计算其余10个回弹值的平均值。计算公式如下所示：R式中：RmRi——第i从非水平方向对岩体进行检测，岩体的平均回弹值应进行修正，其修正公式如下：Rm=式中：Rmα Raα Rm——修正后的回弹值结果，即R表3-4非水平角度回弹值修正值Rmα检测角度（°）+90+60+45+30-30-45-60-9020-6.0-5.0-4.0-1.0+2.5+1.0+1.5+4.030-5.0-4.0-1.5-2.5+2.5+1.0+1.5+4.040-4.0-1.5-1.0-2.0+1.5+2.0+2.5+1.050-1.5-1.0-2.5-1.5+1.0+1.5+2.0+2.5注：1、Rmα2、出现介于表中Rmα1.1.2岩石力学参数计算根据1.2.1岩石直剪试验，得到岩体的基本内摩擦角为41°。通过ZC3-A筒装回弹仪（图3-18）对上木江坪边坡岩体结构面进行回弹试验，通过公式（3-10）（3-11）进行修正并计算平均回弹值。岩体结构面回弹试验结果见表3-5。图3-18ZC3-A型筒装回弹仪表3-5结构面回弹试验结果结构面修正后回弹值回弹值均值J1(34)(32)37(43)4240(32)413941(42)42363936(43)41J2(39)47(51)(54)(50)(39)44444640)5050J3(59)5553494546505148.1474145(39)(38)(40)(57)(57)注：括号中的回弹值为舍弃最大值或最大值。根据图3-14岩石直剪试验结果以及通过《岩石力学参数手册》查询，上木江坪边坡岩石物理力学参数基本值见下表3-6。表3-6上木江坪边坡岩体物理力学参数基本值岩石岩性地质年代天然密度ρ(g/cm3)抗剪强度基本承载力σ0(kPa)粘聚力C(MPa)内摩擦角Φ(°)斜长花岗岩γο2(4)2.401.241200由于现场出露岩体主要以斜长花岗岩为主，从现场钻孔获取新鲜岩样，根据岩石直剪试验，得到斜长花岗岩内摩擦角41°为计算用内摩擦角，通过《岩石力学参数手册》查询，干容重为24.0kN/m3，结构面上的有效正应力为5MPa，根据巴顿模型公式（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）（3-9）求得等效结构面抗剪强度参数，其计算结果见表3-7。表3-7上木江坪边坡结构面修正抗剪强度