一种冰-岩界面抗剪强度的获取方法与流程

1.本发明涉及冻融岩石测量技术领域，具体涉及一种冰-岩界面抗剪强度的获取方法。


背景技术：

2.对冰-岩界面抗剪强度的测量对寒区工程，特别是高寒地区岩质边坡垮塌、隧道冻胀开裂具有重要意义。冰-岩界面指的是冰与岩石之间的界面。冰-岩界面抗剪强度是高寒地区重要的岩土参数。
3.但目前还没有专门设计冰-岩界面强度的相关实验研究，冰-岩界面抗剪强度相关参数非常缺乏。冰-岩界面现场获取难度极大，现场条件下取得冰-岩界面试样，由于现场条件和取样设备的原因，会造成界面融化或破坏，因此现场进行冰-岩界面抗剪强度参数的获取几乎不可能，而实验室要测冰-岩界面抗剪强度对试样制备、加载季节温度、实验设备和操作都有严格限制，得到冰-岩界面抗剪强度也极其困难。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种冰-岩界面抗剪强度的获取方法，能够解决现有技术中采用现场实验获取冰-岩界面抗剪强度参数，由于现场条件和取样设备限制，导致难以获取的问题。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.本发明提供一种冰-岩界面抗剪强度的获取方法，包括以下步骤：
7.获取冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度、岩石节理面粗糙度系数、冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度；
8.根据冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度以及冻结温度，得到冰岩界面粘结作用产生的剪应力；
9.根据冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，得到冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力；
10.根据冰岩界面粘结作用产生的剪应力和冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力，得到冰岩界面的抗剪强度理。
11.在一些可选的方案中，所述的根据冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，确定冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力，包括：
12.根据冻结温度，确定冰的内摩擦角；
13.根据冰的内摩擦角、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，得到冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力。
14.在一些可选的方案中，根据公式确定冰的内摩擦角φ，其中，t为冻结温度，tm为绝对零度273.1k，e为自然对数的底数。
15.在一些可选的方案中，根据公式计算得到冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力τ
p
，其中，φ为冰的内摩擦角，σn为冰岩界面的法向应力，jrc为岩石节理面粗糙度系数，冰节理面强度jcs
at
＝σ
at
；岩石节理面强度jcs
bt
＝σ
bt
，σ
at
为冰单轴抗压强度；σ
bt
为岩石单轴抗压强度。
16.在一些可选的方案中，所述单轴抗压强度σ
at
根据经验公式计算得到或者单轴抗压实验测得。
17.在一些可选的方案中，所述经验公式为σ
at
＝72.86-0.2476t(k)，其中t(k)为冻结温度。
18.在一些可选的方案中，所述岩石单轴抗压强度根据岩石类型匹配查取或者单轴抗压实验测得。
19.在一些可选的方案中，所述的根据冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度和冻结温度，得到冰岩界面粘结作用产生的剪应力，包括：
20.根据公式计算得到冰岩界面粘结作用产生的剪应力τc，a为冰岩界面之间粗糙界面长度，c为粗糙界面高度，θ为冻结温度与零度温差。
21.在一些可选的方案中，根据公式τ＝τ
p
+τc，计算得到冰岩界面的抗剪强度理τ，其中，τ
p
为冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力，τc为冰岩界面粘结作用产生的剪应力。
22.在一些可选的方案中，冰岩界面的法向应力采用岩石地应力。
23.与现有技术相比，本发明的优点在于：本技术所述的方法只需得冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度、岩石节理面粗糙度系数、冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，即可快速计算出相应的界面抗剪强度。分别根据冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度和冻结温度，得到冰岩界面粘结作用产生的剪应力；和根据冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，得到冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力；最后根据冰岩界面粘结作用产生的剪应力和冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力，得到冰岩界面的抗剪强度理。能够现场快速根据相关参数得到冰-岩界面抗剪强度参数，服务于寒区工程。不用在现场条件下取得冰-岩界面试样。同时，将理论计算结果和实验数据进行对比，发现理论计算结果和实验数据误差非常小，可作为理论计算依据。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例中冰-岩界面抗剪强度的获取方法的流程图；
26.图2为本发明实施例中理论计算粗糙度结果与试验值比较的示意图；
27.图3为本发明实施例中理论计算温度结果与试验值比较的示意图；
28.图4为本发明实施例中理论计算法向应力与试验值比较的示意图。
具体实施方式
29.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
31.图1为本发明实施例中冰-岩界面抗剪强度的获取方法的流程图，如图1所示，本发明提供一种冰-岩界面抗剪强度的获取方法，包括以下步骤：
32.s1：获取冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度、岩石节理面粗糙度系数、冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度。
33.在一些可选的实施例中，单轴抗压强度σ
at
根据经验公式计算得到或者单轴抗压实验测得。
34.单轴抗压强度σ
at
根据经验公式计算时，采用的经验公式为σ
at
＝72.86-0.2476t(k)，其中t(k)为冻结温度。根据文献(沈乐天等1990)获得。
35.岩石单轴抗压强度根据岩石类型匹配查取或者单轴抗压实验测得。
36.本例中，实验得到红砂岩单轴抗压强度与温度相关，在0-50℃内，红砂岩的单轴抗压强度取值区间为90-100mpa。在具体使用时，可根据实验获得岩石单轴抗压强度。
37.此外，冰岩界面的法向应力采用冰岩界面所处环境的主应力。岩石节理面粗糙度系数jrc的数值可直接查阅文献得到计算方法。
38.另外，冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度和冻结温度，根据现场实际测量获得。
39.根据冰-岩界面实验认为冰-岩界面的剪应力可表示为：τ＝τ
p
+τc。其中，τ
p
为粗糙界面引起的阻碍滑动的剪应力，τc为冰岩界面粘结力，τ为冰-岩界面抗剪强度，即剪应力。
40.s2：根据冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度和冻结温度，得到冰岩界面粘结作用产生的剪应力。
41.在本实施例中，冰-岩界面由于粘结作用产生的剪应力可表示为：
[0042][0043]
p为界面单元力，取值可用界面处过渡区冰的强度代替，nix and gao依据梯度塑性理论与材料微观结构位错理论，获得细观单元抗剪强度。粘结作用产生的剪应力可用细观单元抗剪强度表示：
[0044][0045]
其中，τ
adh
为冰岩粘结应力，s为冰岩交界曲面，a为冰岩界面投影面积。
[0046]
整个冰-岩接触面上的粘结力经过曲面积分表示为：
[0047][0048]
其中，f为冰-岩接触面上的粘结力，a为冰岩界面之间粗糙界面长度，c为粗糙界面高度，b为界面宽度。
[0049]
根据vyalow的研究，粘结力可表示为：
[0050][0051]
初始粘度的推导可简化为：
[0052][0053]
其中，b为常数，τ
adh0
为冰-岩界面初始粘结应力，θ为冻结温度与零度温差，α
ice
为与温度有关的参数，t
freeze
为凝固温度，t
ref
为基准温度，γ
lv
为表面张力，δ
ice
为冰与连接物之间的分子距离，θ
c-rms
为表面接触角，f(h
rms
)为与基质接触冰的比例，t为冻结温度。
[0054]
理论计算中参数多为微观参数，通过实验获取很难获得全部微观参数，经过参考文献实验数据，采用如下经验公式替代冰-岩粘结力：
[0055][0056]
经以上分析，步骤s中：根据公式计算得到冰岩界面粘结作用产生的剪应力τc，a为冰岩界面之间粗糙界面长度，c为粗糙界面高度和冻结温度，θ为冻结温度与零度温差。
[0057]
s3：根据冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，得到冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力。
[0058]
对于界面处阻碍滑动的剪应力主要采用摩尔库伦原理计算：
[0059]
τ
p
＝σntanφ+c
[0060]
后barton经过大量试验总结出改进形式并得到国际岩石力学学会认可：
[0061]
τ
p
＝σntan(φ+i)
[0062]
其中：修正值σn为冰岩界面的法向应力，φ为冰的内摩擦角，jrc为岩石节理面粗糙度系数，jcs为界面抗压强度。
[0063]
此理论认为界面两侧材料完全相同时适用，对于界面两侧不同的材料张慧雅提出修正公式：
[0064]
jcs＝k
t
jcsa+(1-k
t
)jcsb[0065][0066]
其中，jcsa为冰节理面强度，jcsb为岩石节理面强度，σ
at
为冰单轴抗压强度；σ
bt
为
岩石单轴抗压强度。
[0067]
由界面产生阻碍相对滑动的剪应力表示为：
[0068][0069]
式中，jrc为岩石节理面粗糙度系数。
[0070]
冰的内摩擦角与温度有关，可以由两个分量表示：
[0071]
b(t)＝b0+b1(t)
[0072]
b1(t)某一冻结温度下增加的内摩擦角与温度有关，可表示为：
[0073]
b1(t)＝b0β(1-t/tm)
[0074]
β是一个常数，由以上两个等式可得：
[0075][0076]
根据fish的相关实验数据计算得出：b0＝0.04,β＝4.689
[0077][0078]
即：
[0079][0080]
根据以上分析：步骤s3包括：
[0081]
s31：根据冻结温度，确定冰的内摩擦角。
[0082]
具体的，根据公式确定冰的内摩擦角φ，其中，t为冻结温度，tm为绝对零度273.1k，e为自然对数的底数。
[0083]
s32：根据冰的内摩擦角、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，得到冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力。
[0084]
根据公式计算得到冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力τ
p
，其中，φ为冰的内摩擦角，σn为冰岩界面的法向应力，冰节理面强度jcs
at
＝σ
at
；岩石节理面强度jcs
bt
＝σ
bt
，σ
at
为冰单轴抗压强度；σ
bt
为岩石单轴抗压强度。
[0085]
s4：根据冰岩界面粘结作用产生的剪应力和冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力，得到冰岩界面的抗剪强度理。
[0086]
本例中，根据公式τ＝τ
p
+τc，计算得到冰岩界面的抗剪强度理τ，其中，τ
p
为冰岩界面阻碍滑动产生的剪应力，τc为冰岩界面粘结作用产生的剪应力。
[0087]
经上述推导，将τ
p
和τc的表达式带入公式τ＝τ
p
+τc中，得到过程描述微观推导的冰-岩界面抗剪强度理论表达式为：
[0088][0089]
经过简化后的表达式为：
[0090][0091]
在经过理论推导后，进行了冰-岩界面在不同冻结温度、不同法向力、不同界面粗糙度条件下抗剪强度，通过实验结果和理论推导的计算结果进行对比，对比曲线如下图2、图3和图4所示。可知，由理论得到冰-岩界面抗剪强度曲线，与实验得到冰-岩界面抗剪强度点在误差范围内。
[0092]
综上，本技术所述的方法只需得冰岩界面之间粗糙界面长度、粗糙界面高度、岩石节理面粗糙度系数、冻结温度、冰单轴抗压强度、冰岩界面的法向应力和岩石单轴抗压强度，即可快速计算出相应的界面抗剪强度。同时，将理论计算结果和实验数据进行对比，发现理论计算结果和实验数据误差非常小。能够现场快速根据相关参数得到冰-岩界面抗剪强度参数，服务于寒区工程。不用在现场条件下取得冰-岩界面试样。
[0093]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0094]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。