异性结构面剪切特性及抗剪强度计算方法

天然结构面常存在两侧岩体岩性不一致的情况,对该类异性结构面抗剪特性进行研究有利于更全面地分析复杂地层中岩石的稳定性。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3维实体重构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2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:数值模拟与直剪试验结果的规律性表征情况较为一致;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,利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。该公式是对JRC–JCS模型的扩展且可在工程实践中广泛应用。