節(jié)理分布對(duì)巖體變形試驗(yàn)的影響分析

向新益，伍東衛(wèi)

（1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830091；2.云南公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，云南 昆明 650000）

節(jié)理分布對(duì)巖體變形試驗(yàn)的影響分析

向新益1，伍東衛(wèi)2

（1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830091；2.云南公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，云南 昆明 650000）

以某水電站壩址巖體現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)為依據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析兩組巖質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)基本相同的巖體承壓板變形試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及結(jié)果，揭示了節(jié)理的存在和數(shù)量對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)測(cè)試值的影響。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬手段，探討了層面裂縫間距、傾角對(duì)層狀巖體變形模量的影響規(guī)律。研究成果對(duì)提高巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及代表性具有較好的參考價(jià)值。

現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)；節(jié)理分布；變形模量；層狀巖體

1 概 述

巖體變形模量是巖土工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是評(píng)價(jià)壩基、邊坡和地下洞室等工程巖體變形穩(wěn)定性的主要參數(shù)［1］。由于巖體是經(jīng)受復(fù)雜地質(zhì)作用后，具有多種不連續(xù)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，在工程中通常采用常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)確定巖體的變形模量。由于地質(zhì)構(gòu)造作用的復(fù)雜性，節(jié)理分布具有隨機(jī)性，即使是同一片區(qū)域的巖體，現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)所在區(qū)域的巖體內(nèi)節(jié)理分布也不相同，從而導(dǎo)致所測(cè)的同一區(qū)域巖體的力學(xué)參數(shù)值存在差異。正因如此，如何合理確定工程巖體的力學(xué)參數(shù)，成為巖石力學(xué)界一大難題。通過(guò)大量的工程實(shí)踐與研究，何滿朝［2］教授提出了工程巖體的連續(xù)性理論，建立了工程巖體連續(xù)性的概化方法，提出了工程巖體力學(xué)參數(shù)確定的方法，即室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)相結(jié)合。在此基礎(chǔ)上，張占榮［3］、周火明［1］、熊詩(shī)湖［4］等人進(jìn)一步研究了巖體力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)問(wèn)題。尤明慶［5］教授從微觀結(jié)構(gòu)學(xué)的角度解析了巖石室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定值的差異性。但對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定值的差異性目前研究成果較少，本文根據(jù)某水電站巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)結(jié)果，分析了節(jié)理對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)的影響，并基于工程巖體連續(xù)性概化理論，采用承壓板數(shù)值模擬試驗(yàn)，探討了巖層面傾角和層面裂縫間距對(duì)層狀巖體現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)的影響。

2 工程及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

2.1 工程概況

壩基左右岸主要出露地層分別為奧陶系下統(tǒng)紅花園組（O1h）和大灣組（O1d）。紅花園組（O1h）巖性為厚至巨厚層結(jié)晶灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r，巖體堅(jiān)硬致密，完整性好，結(jié)構(gòu)類型為厚層狀結(jié)構(gòu)，飽和抗壓強(qiáng)度RW＝65.6～71.7 MPa，屬堅(jiān)硬巖石；大灣組（O1d）巖性為瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r，巖體完整性較好，結(jié)構(gòu)類型為厚層狀結(jié)構(gòu)，飽和抗壓強(qiáng)度RW＝47.8～53.4 MPa，屬中硬巖石。壩址巖層為單斜褶構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀：走向N53°E，傾向SE，傾角45°。地質(zhì)勘探平硐主要為PD5和PD6。

2.2 巖體現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法

巖體變形試驗(yàn)采用圓形剛性承壓板法，承壓面積為2 000 cm2。試件制備和試驗(yàn)嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)程［6］有關(guān)要求進(jìn)行。試驗(yàn)加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法。最大壓應(yīng)力一般為6.0 MPa，均勻分為5級(jí)載荷加壓，加荷后立即測(cè)讀一次，此后每隔10 min測(cè)讀一次。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是：承壓板上所有測(cè)表相鄰兩次讀數(shù)差與同級(jí)壓力下第一次讀數(shù)和前一段壓力下最后一次讀數(shù)差之比小于5%時(shí)，即施加或退至下一級(jí)壓力。退壓穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與加壓相同。

2.2.2 試驗(yàn)點(diǎn)布置及基本條件

左岸PD5平洞中巖體變形試驗(yàn)布置了8點(diǎn)，其中水平方向5點(diǎn)，鉛直方向3點(diǎn)；右岸PD6平洞中布置了4點(diǎn)，其中水平、鉛直方向各2點(diǎn)。PD5平硐內(nèi)試驗(yàn)編號(hào)依次為E1～E4、E9～E12，PD6平硐內(nèi)試驗(yàn)編號(hào)依次為E5～E8。為排除巖質(zhì)及進(jìn)洞深度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)的影響，選取了（E1、E2）、（E5、E6）二組試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，其巖體表面素描圖分別見(jiàn)圖1～2。

圖1 （E1、E2）組巖體表面素描

圖2 （E5、E6）組巖體表面素描

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 試驗(yàn)成果整理

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制壓力P～變形W之間的關(guān)系曲線，結(jié)合曲線類型，按試驗(yàn)規(guī)程［6］有關(guān)要求，運(yùn)用公式（1）計(jì)算變形參數(shù)：

式中 E——變形模量或彈性模量，GPa，當(dāng)以全變形Wo代入式中計(jì)算時(shí)為變形模量Eo，當(dāng)以彈性變形We代入式中計(jì)算時(shí)為彈性模量Ee；

μ——巖體泊松比；

P——按承壓面單位面積計(jì)算的壓力，MPa；

D——承壓板直徑，cm；

W——巖體表面變形，cm。

（E1、E2）、（E5、E6）二組試驗(yàn)點(diǎn)的壓力P～變形W曲線如圖3～6所示，相對(duì)應(yīng)的二組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1～2。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖3 試驗(yàn)點(diǎn)E1承壓板試驗(yàn)壓力P～變形W曲線

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)E2承壓板試驗(yàn)壓力P～變形W曲線

圖5 試驗(yàn)點(diǎn)E5承壓板試驗(yàn)壓力P～變形W曲線

圖6 試驗(yàn)點(diǎn)E6承壓板試驗(yàn)壓力P～變形W曲線

表1 E1、E2試驗(yàn)點(diǎn)承壓板試驗(yàn)結(jié)果

表2 E5、E6試驗(yàn)點(diǎn)承壓板試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖1中E1、E2的地質(zhì)素描圖，對(duì)比圖3與圖4，以及表1中E1、E2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知由于試驗(yàn)點(diǎn)E1承壓板所在區(qū)域巖體節(jié)理數(shù)量較E2要多，兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)所得壓力P～位移W曲線特征存在明顯差異。試驗(yàn)點(diǎn)E1存在明顯的節(jié)理被擠壓變形的現(xiàn)象。相對(duì)而言，若在同級(jí)荷載作用下，E1的全變形值要大于E2。雖兩處試驗(yàn)點(diǎn)巖質(zhì)及巖層構(gòu)造基本相同，但由于兩試驗(yàn)點(diǎn)處巖體所含節(jié)理數(shù)相差較大，導(dǎo)致變形模量試驗(yàn)值相差8.1 GPa，約占其平均值的32.3%。

結(jié)合圖2中E5、E6的地質(zhì)素描圖，對(duì)比圖5與圖6，以及表2中E5、E6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知在加載應(yīng)力相同的情況下，E5的全變形值比E1要大得多，其壓力P～位移W曲線特征也存在差異。試驗(yàn)所得兩處巖體變形模量試驗(yàn)值相差1.2 GPa，約占其平均值的8.2%。

由上述對(duì)比分析可知，在地質(zhì)構(gòu)造基本相同的條件下，節(jié)理的存在與數(shù)量將直接影響巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)測(cè)定值，進(jìn)而影響工程中巖體變形參數(shù)的合理確定。

3 巖體現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立及參數(shù)取值

以試驗(yàn)點(diǎn)E5巖體現(xiàn)場(chǎng)剛性承壓板試驗(yàn)為依據(jù)，基于工程巖體的連續(xù)性理論及概化方法［2］，采用有限差分軟件FLAC＿3D進(jìn)行數(shù)值仿真。試驗(yàn)點(diǎn)E5巖體的數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

邊界條件：鉛直邊界上施加水平約束；水平底部邊界上施加鉛直約束。本構(gòu)模型：摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型。計(jì)算參數(shù)采用淋溪河壩區(qū)巖體地質(zhì)報(bào)告建議值，具體如表3和表4所示。荷載施加方式：數(shù)值試驗(yàn)加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法，最大壓應(yīng)力平均分為5級(jí)加載。數(shù)值穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是：每級(jí)荷載計(jì)算達(dá)到平衡后，即可施加或退至下一級(jí)壓力。

圖7 試驗(yàn)點(diǎn)E5數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表3 巖石力學(xué)參數(shù)

表4 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析

由圖8和圖5可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)壓力～變形曲線特征基本一致。表5給出了試驗(yàn)點(diǎn)E5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)成果對(duì)比分析結(jié)果。由表5可知，兩者各級(jí)壓力對(duì)應(yīng)的變形相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。因此，這種巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)?zāi)M方法是可行的。

圖8 E5試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)值仿真試驗(yàn)壓力～變形曲線

表5 試驗(yàn)點(diǎn)E5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)成果對(duì)比分析

4 層狀巖體變形模量數(shù)值試驗(yàn)研究

4.1 數(shù)值試驗(yàn)方案

為探討層面間距、傾角對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)的影響，特?cái)M定了如下方案：層面間距S分別取0.5 m、0.75 m、1.0 m、1.25 m，傾角分別取0°、30°、60°、90°；為排除邊界條件對(duì)試驗(yàn)的影響，數(shù)值試驗(yàn)中巖體試件尺寸取10 m×10 m×10 m；數(shù)值模型參數(shù)、邊界條件、本構(gòu)模型及試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)點(diǎn)E5模擬試驗(yàn)相同。

4.2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)數(shù)值試驗(yàn)方案中各類試件的數(shù)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，結(jié)果如表6所示。

表6 層狀巖體變形模量數(shù)值試驗(yàn)值 GPa

4.3 層面傾角對(duì)巖體變形模量的影響

根據(jù)表6中各類層狀巖體試件變形模量數(shù)值試驗(yàn)值，繪制層狀巖體變形模量隨結(jié)構(gòu)面傾角的變化關(guān)系曲線，如圖9所示。由圖可知：不同結(jié)構(gòu)面間距的層狀巖體變形模量隨傾角的變化特征存在一定差異；變形模量的傾角效應(yīng)特征隨結(jié)構(gòu)面間距的增大而變?nèi)酢?/p>

圖9 結(jié)構(gòu)面間距不同的層狀巖體變形模量與傾角的關(guān)系

4.4 層面間距對(duì)巖體變形模量的影響

圖10給出了各類傾角層狀巖體變形模量隨結(jié)構(gòu)面間距的變化曲線。由圖10可知：各類傾角層狀巖體曲線變化規(guī)律基本一致，即隨結(jié)構(gòu)面間距的增大而變大并逐步趨于某一穩(wěn)定值；曲線變化特征會(huì)因結(jié)構(gòu)面傾角的不同而存在較大差異。隨著結(jié)構(gòu)面間距的增加，傾角90°層狀巖體變形模量增幅最小，傾角0°層狀巖體增幅最大，傾角30°、60°層狀巖體變化曲線特征基本一致。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某水電站壩址巖體多組現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在巖質(zhì)和構(gòu)造基本相同的情況下，節(jié)理的存在與數(shù)量將對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)測(cè)定值產(chǎn)生較大的影響。節(jié)理數(shù)量愈多，巖體變形值愈大，巖體變形模量越小。試驗(yàn)中巖體的壓力P～位移W曲線特征也會(huì)因試驗(yàn)點(diǎn)處巖體節(jié)理的分布不同而出現(xiàn)差異。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬手段，探討了層面間距、傾角對(duì)層狀巖體變形模量的影響規(guī)律。層狀巖體變形模量存在明顯的傾角效應(yīng)特征，但隨層面間距的逐漸增大，此特征逐步減弱。隨著層面間距的增大，各類傾角的層狀巖體變形模量值會(huì)隨之增大，并逐漸趨向于某一穩(wěn)定值，但不同傾角的層狀巖體增長(zhǎng)特征有所差異。

圖10 各類傾角層狀巖體變形模量與結(jié)構(gòu)面間距的關(guān)系

［1］周火明，盛謙，陳殊偉，等.層狀復(fù)合巖體變形試驗(yàn)尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（2）：289－292.

［2］何滿朝，薛廷河，彭延飛.工程巖體力學(xué)參數(shù)確定方法的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（2）：225－229.

［3］張占榮，盛謙，楊艷霜，等.基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的巖體變形模量尺寸效應(yīng)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31（9）：2875－2881.

［4］熊詩(shī)湖，鄔愛(ài)清，周火明，等.層狀軟巖力學(xué)特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2（6）：887－890.

［5］尤明慶，鄒友峰.關(guān)于巖石非均質(zhì)性與強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的討論［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（3）：391－395.

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程（SL264－2001）［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2001：53－62.

TU452

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1003－9805（2015）01－0023－05

2014－10－22

向新益（1963－），男，四川蒼溪人，高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師，從事水利水電工程地質(zhì)勘察及巖土檢測(cè)試驗(yàn)工作。