基于直剪试验的结构面抗剪强度尺寸效应机理研究

岩体结构面抗剪强度随结构面尺寸增大而降低的尺寸效应规律已成为普遍共识，申请人对岩石结构面模型直剪试验的初步结果却显示这种尺寸效应特征不明显。直剪试验方法研究结构面抗剪强度尺寸效应机理是岩石力学领域的历史性难题。课题组多尺度岩石结构面模型试样制作克服了现场取样的困难，可实现不同尺寸结构面直剪试验的系统化和可重复性；大型多尺度直剪试验转换系统解决了试验投资的困难，可实现在同一台试验机上进行系列尺寸岩石结构面模型的直剪试验。本项目基于系列尺寸岩石模型结构面的直剪试验研究尺寸效应机理，建立尺寸效应模型；采用接触面单元建立数字仿真模型模拟尺寸效应规律，修正并完善结构面抗剪强度尺寸效应模型；通过典型工程应用，检验结构面抗剪强度尺寸效应模型的实用性，建立基于小尺度结构面抗剪强度评价大尺度工程岩体结构面抗剪强度的方法，提供客观定量的工程岩体结构面抗剪强度评价方法，具有重大理论意义和工程实用价值。

岩体结构面抗剪强度是工程岩体稳定性评价和制订加固处理方案的关键参数，但工程应用人为折减的传统直剪试验结果掩盖了抗剪强度尺寸效应的特性，既不科学也不合理，可靠度低。课题组联合材料、机械、控制等学科的研究人员对岩体结构面的模型材料、结构面的模拟方法、倾斜仪、推拉试验仪进行了联合技术攻关，开展了高、低应力条件下的结构面抗剪强度尺寸效应直剪试验研究和应力效应试验研究，分析了结构面抗剪强度尺寸效应和应力效应的变化规律，建立了结构面破坏准则的JRC-JCS-JMC-D30模型，提出了低应力条件下大尺度结构面力学性质稳定阈值评价方法（D30法），并开展了工程岩体结构面抗剪强度的稳定阈值评价应用。.重要结论为：（1）结构面抗剪强度尺寸效应和应力效应的试验规律为：高应力条件下结构面的峰值及残余抗剪强度并不随着结构面尺寸的增大而变化，无明显尺寸效应。低应力条件下结构面抗剪强度和峰值摩擦角随试样尺寸的增大而减少，即低应力条件下结构面的抗剪强度和摩擦角尺寸效应明显。（2）结合结构面尺寸效应的试验结果和机理分析，推导了低应力条件下能够考虑尺寸效应及吻合度的结构面破坏准则，建立了JRC-JCS-JMC-D30模型。由于该模型采用了小尺度的结构面尺寸效应分维数，易于通过现场试验获得，应用方便，准确性高，较传统的JRC-JCS模型更符合工程实际。（3）在分析结构面抗剪强度的稳定阈值与结构面粗糙度系数稳定阈值的基础上，提出了低应力条件下大尺度结构面力学性质稳定阈值评价方法（D30法），该方法是利用小尺寸结构面粗糙度系数的定向统计测量，实现大尺度结构面力学性质稳定阈值评价，具有简便、经济、实用的特点。并将D30法的评价结果与直剪试验进行了对比分析。结果表明，结构面抗剪强度的尺寸效应与结构面粗糙度系数的尺寸效应具有一致性，且采用D30得到的结构面抗剪强度稳定阈值与实测的试验结果相一致，完全能够满足工程的要求。（4）根据D30法开展了工程岩体结构面抗剪强度的稳定阈值评价应用，利用施家边坡滑动面抗剪强度综合评价结论进行边坡稳定性评价和加固治理方案的设计，取得了满意的效果，在施工实践中得到了检验。.项目开发的岩体工程中普遍适用工程岩体结构面抗剪强度的稳定阈值评价技术，为岩体结构面室内直剪试验结果的尺寸效应折减取值提供了科学依据及其工程应用方法，具有重大实用价值和广阔的应用前景。