考虑相对法向力岩体结构面剪切力学性质研究.pdfVIP

摘要

在矿山开采过程中，随着开采深度不断增加，地质环境愈加复杂，岩体破坏机

理较浅部也有明显差别。剪切破坏是工程岩体破坏的主要形式之一，其中法向应力

对岩石结构面剪切强度有重要影响。对于法向应力上下限的判断，以及随着法向应

力的增加结构面粗糙度是否会对岩体剪切强度产生显著影响是需要重点研究的科学

问题之一。为衡量法向应力的相对大小，本文提出“相对法向力”系数，即法向应

力与单轴抗压强度的比值，开展了相对法向力下结构面剪切特性研究。

通过单轴抗压试验结果，确定了不同类岩石的材料配比。利用Barton十条标准

剖面线，采用3D打印、混凝土浇筑等方式，制备了粗糙度系数为0-2、6-8、12-

14、18-20结构面剪切试件，为结构面剪切物理试验与数值模拟试验提供了理论依

据。

开展了不同类岩石结构面剪切试验，分析了法向应力下结构面剪切力学性质，

提出了相对法向力的概念。通过相对法向力下结构面剪切破坏特征，确定了结构面

剪切的破坏形式，分别为剪切滑移破坏、拉剪混合破坏、轴向劈裂破坏，对比不同

类岩石峰值剪切应力的增长趋势，验证了相对法向力的正确性。

利用离散元PFC模拟软件进行了相对法向力下结构面剪切数值模拟试验，揭示

了不同相对法向力下结构面剪切破坏性质，分析了峰值剪切应力的增长速率变化趋

势，将相对法向力进行了区段划分：当相对法向力小于0.06时，剪切应力的增长速

率最大，随着相对法向力的增大剪切应力增长速率快速减小，由粗糙度为主要影响

因素；当相对法向力小于0.5大于0.06时，剪切应力增长速率的减小趋势变缓，由

粗糙度、内聚力为主要影响因素；当相对法向力大于0.5时，剪切应力的增长速率

基本平稳，由内聚力为主要影响因素。

基于相对法向力区段的划分，构建了相对法向力下三线段剪切强度理论模型，

通过对结构面剪切数值模拟试验结果进行力学计算，得到了结构面剪切作用下黏聚

力强化指数和爬坡角弱化指数的变化趋势，对比不同类岩石的2组指数曲线，验证

了相对法向力下三线段剪切强度理论的合理性，开展了理论模型在矿山工程的初步

应用。

关键词：矿山开采；法向应力；结构面剪切；粗糙度；颗粒流；

Abstract

Intheprocessofmining,withtheincreasingdepthofmining,thegeologicalenvironment

ismoreandmorecomplex,andtherockbodydamagemechanismisalsosignificantlydifferent

fromtheshallowpart.Sheardamageisoneofthemainformsofengineeringrockdamage,in

whichthenormalstresshasanimportantinfluenceontheshearstrengthoftherockstructure

surface.Thejudgementoftheupperandlowerlimitsofnormalstressandwhetherthe

roughnessofthestructuralsurfacesignificantlyaffectstheshearstrengthoftherockbodywith

theincreaseofthenormalstressisoneofthescientificproblemsthatneedtobefocusedon.In

ordertomeasuretherelativemagnitudeofnormalstress,thispaperproposesthecoefficientof

‘relativenormalforce’,i.e.,theratioofnormalstressto