硬性结构面粗糙度系数量化确定及其工程应用

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1、Vol.37No.3水文地质工程地质第37卷第3期May2010HYDROGEOLOGY＆ENGINEERINGGEOLOGY2010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(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610059)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公式，为Barton理论公式法快速预测

2、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。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文章编号:1000-3665(2010)03-0084-03结构面是控制边坡、地下硐室等岩石工程稳定性n2y－yi+1i［1～2］。理论公式计算法是预测结构面参数∑()的关键因素i=1xi+1－xiZ=(1)的重要方法之一，主要是根据一定的剪胀理论或试验槡n－1总结提出来的，其应用均有一定的假设性和局限性。式中:yi、yi+1———粗糙轮廓线上水平坐标分

3、别为xi、经过许多学者不断修正完善，目前Barton的JRC-JCSxi+1的高度;模型在工程中应用较广。n———剪切方向上的测点数。Barton理论公式中，结构面壁的抗压强度JCS和残余摩擦角φr均可根据试验获取，公式中最难确定的是结构面粗糙度系数JRC。为了获得粗糙度系数，各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值之间关系图1某结构面轮廓曲线计算剖面示意图的分析，建立回归方程，并以此来估算JRC。但是，由Fig.1Schematicprofileshowingt

4、he于结构面的各向异性，到目前为止尚无一种统一的方curveofastructureplane法适用于任何结构面的JRC确定。n2y－y∑i+1i1粗糙度系数JRC值量化研究(22)i=1(x－x)+(y－y)槡i+1ii+1iZ=(2)2［1］槡n－1部分文献建议利用坡度均方根Z来反映坡度另外，通过大量试算发现坡度均方根与分割曲线的起伏度，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

5、大。如图2所示的面呈阶坎状形态，此时分母为零，虽然只是局部问题，轮廓曲线，由于曲线分割数的不同，一条曲线有众多不但对计算结果的敏感性非常大。本文建议:由于所关同解且相差较大，工程人员仅通过JRC值难以准确刻心的是轮廓曲线的坡度与JRC的关系值，因此用正弦化曲线的起伏程度。如按照图2(a)、(b)、(c)三种不值代替正切值反映坡度起伏，可以避免出现上述问题，同的分割方式，得到的坡度均方根分别为0.1、0.09、修正后的公式，如式2。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

6、刻画轮廓曲线的坡度，即在矢量化曲线后，对同一坡度曲线计算其在整个收稿日期:2009-08-17;修订日期:2009-10-30长度上的分布概率密度，然后求得该段的坡度期望值，作者简介:吉锋(1980-)，男，博士，主要从事岩土及工程地质教其能比较准确且唯一的刻画坡度对起伏度的影响。学及科研工作。对于图2(a)所示的轮廓曲线，总长为2h，分割为E-mail:jeifens@163.com2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/2h)，第二小段坡度

7、正切值为α———轮廓曲线坡度期望值。0，第一小段长度占总长的概率密度为1/2(即h/2h)，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。图3结构面起伏粗糙轮廓线Fig.3Undulatingcurveofthestructureplane图2某结构面轮廓曲线计算剖面示意图表1Barton典型曲线主要参数量化表Fig.2SchematicprofileshowingtheTable1Parametersof

8、theBartontypicalcurvecurveofastructureplane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°，但是高度起伏差不同，若仅用坡度参数来刻画，显然两条曲线的粗糙度值是一样的，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题，如图3(a)