煤炭学报

作者：班力壬, 候宇航, 杜伟升, 俞缙, 戚承志, 单仁亮,

关键词：剪切强度, 岩石节理, 节理微凸体, 岩石形貌, 实际接触,

节理的剪切力学特性一直是岩石工程关注的重点，峰值剪胀角是描述节理抗剪能力的关键物理量，合理的峰值剪胀角模型应能充分反映节理的峰值抗剪强度。为预测节理峰值剪胀角，阐明节理峰值剪胀角与节理形貌的内在联系，首先明确了节理面上对剪切强度有贡献的微凸体分布范围，然后确定了实际接触节理中各部分微凸体对强度的贡献比例。在节理面上抵抗剪切的阻力是由面向剪切方向的所接触的微凸体产生的。提出了实际接触的最小视倾角 \theta _\textcr1^* 和剪胀破坏过渡到剪断破坏的临界角度 \theta _\textcr2^* 分别用于界定微凸体是否参与剪切过程，以及微凸体的破坏模式。对于有效视倾角\theta ^* 在 \theta _\textcr1^* ～ \theta _\textcr2^* 间的微凸体，其破坏模式为剪胀破坏，对剪切强度的贡献正比于\theta ^* 。对于\theta ^* 在 \theta _\textcr2^* ～ \theta _\textmax^* (其中，\theta _\textmax^* 为最大有效视倾角)间的微凸体，其破坏模式为剪断破坏，对剪切强度的贡献正比于 \theta _\textcr2^* 。进一步考虑实际接触节理微凸体对剪切强度不同贡献比例与微凸体面积比含量，推导出了等效实际接触节理平均角。将等效实际接触节理平均角等同于节理峰值剪胀角，提出了新的节理峰值剪胀角模型。新模型物理意义明确，现有相关所提粗糙度指标仅仅是等效实际接触节理平均角的一种特殊情况。采用89组试验数据对比分析了6种模型的计算精度，结果表明新模型的预测精度最佳(平均误差为10%)。新的峰值剪胀角模型中确定 \theta _\textcr2^* 较为关键，不同材料节理对应的临界角度 \theta _\textcr2^* 不同，考虑到模型形式的简化，取 \theta _\textcr2^* =32°来统一确定新的峰值剪胀角模型。简化后的节理峰值剪胀角新模型估算的相对平均误差为11%，预测精度高于本文列举的多个模型。讨论了 \theta _\textcr2^* 对不同形貌节理的影响及其取值依据。结果显示，节理粗糙度较大时，新模型精度高于其他模型，通过89组试验数据拟合得到\theta _\textcr2^* 取值是合理的。

来源：2023年第10期

《煤炭学报》期刊编辑部

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