岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述

郭 肖 红

(中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队，浙江 杭州 310022)

·岩土工程·地基基础·

岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述

郭 肖 红

(中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队，浙江 杭州 310022)

在查阅文献资料的基础上，对试验法、公式法、经验法和反算法四种岩体结构面抗剪强度参数取值的方法进行了综述，分析了各种方法的适用性，为岩体结构面抗剪强度参数的合理取值提供了依据。

岩体结构面，抗剪强度，参数，取值

0 引言

岩体强度主要取决于岩石块体和结构面这两部分的强度；工程实践和理论研究表明，在大多数情况结构面力学特性对岩体强度起着控制性作用，使得岩体强度因结构面的存在而大大削弱。

目前在工程岩体稳定性的分析评价工作中，其重点及难点之一就是如何合理地确定岩体结构面的抗剪强度参数。现阶段，确定控稳结构面抗剪强度参数的主要方法可以归纳为试验法、公式法、经验法和反算法四大类，每一大类又分别包含几种不同的具体方法。

本文在大量查阅文献的基础上，对这些取值方法进行一番综述。主要针对其中应用成熟的方法。

1 试验法参数取值

1.1 室内剪切试验

室内剪切试验的基本原理、数据处理方法与土体直剪试验类似。其试验设备、方法相对简单，操作步骤规范、方便，因此应用最广。该方法的主要问题是试样的代表性、原状性、尺寸效应等。

试样的代表性问题主要由于结构面性质的复杂性与变异性，当试样数量不足，会导致试验数据的随机性和离散性过大，从而使数理统计得到的参数取值具有较大偏差。李克钢等[1]研究表明，在进行试验时应尽可能的多选几组试件进行试验，这样可以比较容易地排除异常值的影响，从而选取正常值进行统计，使得统计的结果更加准确。

试样的原状性问题体现在岩体试样在开挖过程中会不可避免地受到一定的扰动，导致结构面的闭合程度有所变化，因此会不同程度地影响试验结果。当取样扰动特别显著、结构面质量很差时，这样的试验还不如不做，按经验采用类似工程的试验资料或许更为可靠。

试样的尺寸效应表现为试样的结构面强度通常随其尺寸的增大而减小，但当结构面尺寸增大到一定程度时则趋于稳定；但是这种尺寸界限会随着岩体及其结构面的性质发生变化。常规室内剪切试验的结构面尺寸较小，存在尺寸效应。

1.2 原位大型剪切试验

原位大型剪切试验的原理与室内试验相同，主要差别体现在试样制备和具体仪器设备上。由于其试验过程在原位进行且剪切断面较大，因此在很大程度上克服了试样的原状性和尺寸效应等问题，所得结果较为可靠。但因其设备笨重、操作复杂，故成本高、周期长，一般只应用于重大工程。

该试验的最大不足是试验组数受成本制约，且相对于它所应用工程的规模而言样本数量显得偏少，存在以点代面、代表性不强的问题。

针对其成本高、操作难、应用受限的情况，刘明维、郑颖人[2]提出原位抗切试验结合规范取值的参数确定方法。他们认为：对于坡高不大于25 m的岩质边坡，可采用原位抗切试验较为准确地确定比较敏感的c值，并结合规范取值法确定不敏感的φ值；这样既保证了一定的工程精度，又克服了采用原位大型剪切试验的麻烦，经济、实用。

2 公式法参数取值

通过对大量室内外试验及数值模拟研究成果的归纳总结，提出适用于估算结构面强度的经验公式，可以很大程度地减轻复杂的试验工作。

目前为止，比较公认的经验公式主要有Patton剪胀公式及双线性公式、Jeager负指数剪切强度公式、Barton公式、Ladanyi公式和Gerrard剪切公式。这些公式中，前三者适用条件过于理想化，后两者参数过于复杂、求取困难，因此在工程中主要应用的是Barton的JRC—JCS模型。

杜时贵等[3]研究表明：采用Barton公式估算获取的结构面强度参数与室内剪切试验所得结果基本一致，有时可能偏高。

3 经验法参数取值

3.1 工程类比法

工程类比法是工程地质研究的传统方法之一，是指根据大量已有的同类工程数据和实践经验，结合具体工程的地质条件、周边环境条件等，通过类比、分析、判断来获得设计参数的取值。

该方法的最大缺点就是具有人为的经验性、随意性，应用不当，往往可靠性不高。要保证其可靠性，则要求具有丰富的工程实践经验、掌握丰富的工程资料，而且需要进行多方面因素的综合类比，同时还应根据工程实际进展情况和出现的问题——特别是现场监测结果和地质体揭露情况，对现有设计参数进行必要的调整和修改。

张勤[4]建议，应用模糊相似优先比原理进行结构面抗剪强度参数的研究，有利于克服工程类比法中人为影响、不定量性等缺点，从而在一定程度上提高参数取值的可靠性。

3.2 规范取值法

规范取值法是在结构面分级的基础上，参照规范、手册等的建议范围值，结合实际工程的具体条件，确定参数取值，必要时再进行适当地折减。因此，它本质上是一种规范化的工程类比法，在一定程度上减少了人为因素的影响，但仍然不可避免地存在着经验性、地区性等问题。

刘明维、郑颖人在广泛调研、有针对性的进行现场试验和室内试验的基础上，通过对大量试验成果的分析整理，对《建筑边坡工程技术规范》中结构面抗剪强度取值方法进行了探讨，并补充、完善和细化了结构面的分类及其考虑因素，提出了相对更实用、更合理的参数取值表。对此，该规范的最新修订版对其取值方法进行了部分修善。

4 反算法参数取值

4.1 基于极限平衡的反演法

根据所处的稳定状态，选取相应的极限平衡方法建立参数反演的方程，获取结构面强度参数。因此理想的条件是滑动破坏前的极限平衡状态，此时可假定稳定系数为1.00，然后根据选用的极限平衡公式，采用单值法或联立剖面进行参数反演。

当采用单值法反算时，需要先假定其中的一个参数c或φ。通常采用敏感性分析，确定其中变化幅度不大或者容易掌握范围的那个值。

当联立剖面进行反算时，联立方程的相容性是能够求解的决定因素。一般情况下，由于岩土体的复杂性和变异性，不同剖面的稳定状态是不同的，两者联立以后往往难以求解。对于单一结构面，且形状变化不大时，采用剖面联立法反算获得的结构面参数可与室内试验结果相近。

4.2 位移反分析法

应用数值分析方法，在已有位移观测资料的基础上，通过求解控制方程组，即可反演求得结构面强度参数，克服了极限平衡反算方法局限于强度极限状态的不足。该方法自20世纪70年代以来，得到了工程界的重视和研究[5]：

孙钧等提出了对岩体诸参数(包括其抗剪强度指标c，φ值)进行弹塑性反演分析的一种全面优化方法，实践上得出了非线性逆问题的唯一解。

杜景灿等在直接位移反分析的基础上，引入加权系数，提出了加权位移反分析方法。

吉林等将岩体宏观应变引入，构造新目标函数对结构面力学参数进行反演。

由于岩体参数位移反分析法实质为一个高度复杂的非线性函数问题，其反分析解的存在性、稳定性值得研究，且具有依赖初值、易失败等缺点。应用难度较大，尚处于优化阶段。

5 结语

目前用于确定岩体结构面抗剪强度参数的几类主要方法中，或多或少地存在一些局限和不足，影响着参数取值的精度。它们又各有其适用条件，大致来说：当能获取试样时，一般采用试验法确定参数，而公式法(主要是Barton经验公式)能在一定程度上减少复杂的试验工作；当不能获得试验参数时，则采用反算法或经验法确定参数；同时根据工程规模和重要性等级不同，选用其中具体不同的取值方法。

[1] 李克钢,许 江,李树春.三峡库区岩体天然结构面抗剪性能试验研究[J].岩土力学,2005,26(7):1063-1067.

[2] 刘明维,郑颖人.岩质边坡结构面抗剪强度参数的实用确定方法研究[J].工程勘察,2006(5):6-9.

[3] 杜时贵,胡晓飞,郭 霄，等.JRC-JC模型与直剪试验对比研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(S1):2747-2753.

[4] 张 勤.模糊数学在工程地质类比法中的应用[J].河海大学学报,1990,7(4):1-6.

[5] 刘明维,傅 华,吴进良.岩体结构面抗剪强度参数确定方法的现状及思考[J].重庆交通学院学报,2005,24(5):65-67.

The summary of parameters value method for shear strength of rock mass structural plane

Guo Xiaohong

(ZhejiangCorps,ChinaBuildingMaterialsIndustryGeologicalProspectingCenter,Hangzhou310022,China)

Based on consulting documents, this paper reviewed the shear strength parameters value method of test method, formula method, experience method and inverse algorithm method four kinds of rock mass structural plane, analyzed the applicability of various methods, provided basis for parameters reasonable value of rock mass structural plane shear strength.

rock mass structural plane, shear strength, parameter, value

2015-06-05

郭肖红(1982- )，女，工程师

1009-6825(2015)23-0032-02

TU452

A