層理面細觀參數(shù)對層狀巖體強度特性影響的研究

夏　磊，曾亞武，張　森

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層理面細觀參數(shù)對層狀巖體強度特性影響的研究

夏磊，曾亞武，張森

（武漢大學土木建筑工程學院，武漢430072）

為了從細觀角度研究不同層理面的細觀參數(shù)對層狀巖體強度特性的影響，利用顆粒流建立數(shù)值模型，從細觀角度將層理面力學參數(shù)分為黏結(jié)強度、摩擦作用和咬合作用3個方面，通過開展不同層理傾角下層狀巖體單軸壓縮試驗的數(shù)值模擬，初步探討了層理面力學參數(shù)對層狀巖體強度的影響。結(jié)果表明：當層理黏結(jié)強度與基巖相差很大時，其影響可以忽略，而當其與基巖黏結(jié)強度比較相近時，其影響很大；層理摩擦作用對巖體整體強度的影響很??；層理咬合作用由層理厚度體現(xiàn)，是影響巖樣整體宏觀強度的重要因素，在試驗顆粒級配條件下，當層理厚度取大約3倍最小顆粒半徑時比較合理。

層狀巖體；顆粒流；層理面；破壞模式；細觀力學參數(shù)

doi：10．11988/ckyyb．20150451

1　研究背景

在巖石力學界，前人針對層理面的細觀參數(shù)對層狀巖體強度特性的影響研究有很多。Jaeger［1］最早于1960年針對層理巖體沿著層理面滑動破裂提出了相應的破壞準則。Tien等［2］通過人工制樣與實驗分析，研究了層理傾角對橫觀各向同性材料的整體彈性模量及峰值強度的影響。Tai等［3］提出了基于層理間不完全黏結(jié)的彈性本構(gòu)關系的理論分析方法。何沛田等［4］研究了黑灰色鈣質(zhì)頁巖塊層理結(jié)構(gòu)面傾角θ對其破壞特征、強度特性和變形性態(tài)的影響。梁正召等［5］運用RFPA2D軟件模擬了單軸壓縮條件下橫觀各向同性巖石的破裂過程，討論了不同層理傾角下橫觀各向同性巖體的不同破裂模式及其破壞準則。黃書嶺等［6］通過獨立考慮基巖和層理面的物理力學特性，提出了層狀巖體復合材料硬化-軟化理論模型，并在FLAC3D中實現(xiàn)了非線性數(shù)值計算功能。趙靖影等［7］運用FLAC3D建立層狀頁巖的有限差分計算模型，分析了層狀泥頁巖井眼的塑性區(qū)分布、井眼位移和次生應力分布特點。陳天宇等［8］對不同層理傾角的黑色頁巖巖樣進行了三軸壓縮試驗，獲得黑色頁巖巖樣的全應力-應變曲線和破壞模式，并對比分析了圍壓和層理傾角對黑色頁巖力學行為和破壞模式的影響。Andre Vervoort等［9］對9個不同巖石樣本進行巴西試驗，研究在不同巖層傾角下巖樣的強度及破裂模式，得到4種變化趨勢。Youn-Kyou Lee［10］針對各向異性巖石擴展了摩爾-庫倫準則，將其嵌入到數(shù)值試驗中，研究多軸壓縮試驗中層理面傾角對峰值強度及失效面的敏感度。Xin Tan等［11］運用UDEC軟件通過巴西試驗方法詳細研究了在不同層理面傾角下的破裂模式和峰值強度，并與室內(nèi)實驗進行對比，且進一步在數(shù)值中研究層理面剪切力學參數(shù)對整體巖樣強度的影響。衡帥等［12-13］基于直剪試驗研究了在層理面的影響下頁巖強度各向異性特征，并在各向異性材料裂紋尖端應力場分布特征的基礎上探討了層理在頁巖網(wǎng)狀壓裂縫形成過程中的重要作用。李芷等［14］研究了層理面對水力裂縫擴展的影響，指出層理面黏聚力及水力裂縫與層理面夾角對層理面剪切區(qū)長度的敏感性很高。Jin-an Wang等［15］基于CT掃描技術獲取巖體層理面微接觸分布，并觀察在直剪蠕變加載前、加載中以及加載后的層理面微接觸的力學行為。Omid Saeidi等［16］提出一套適合于層狀巖體的破裂準則，并證明其相對于Hoek-Brown準則和Ramamurthy準則，能更好地預測層狀巖體的力學性質(zhì)。

本文針對文獻［2］中的試驗，采用顆粒流方法建立層狀巖體試樣的數(shù)值模型，通過單軸壓縮試驗模擬不同層理傾角下巖體的強度特征，并與文獻［2］中的試驗結(jié)果進行比較，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性和本文方法的適用性。然后進一步模擬研究層狀巖體的破裂機制，最后基于顆粒流模型從細觀角度分析層理面力學參數(shù)對層狀巖體強度特性的影響。

2　數(shù)值模型

2．1基本資料

Tien等［2］采用自制的模型材料，通過分層澆筑來制作層狀巖體；為研究不同層理面傾角時層狀巖體的強度特性，在取芯時取層理面與水平面夾角依次為0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，如圖1所示。試驗所用模型材料力學參數(shù)見表1。

圖1　不同傾角巖樣取芯示意圖［2］Fig．1　Obtaining rock cores of specimen of different dip angles［2］

表1　文獻［2］模型材料力學參數(shù)Table 1　Mechanical parameters in reference［2］

本文采用文獻［2］中的試樣作為模擬對象，以該文獻中的模型材料力學參數(shù)作為數(shù)值模型的建模目標，來確定巖層顆粒流模型的細觀力學參數(shù)。數(shù)值模型試樣取高為100 mm、直徑為48 mm的圓柱體試樣。數(shù)值建模時，取巖層厚度為20 mm，為便于觀測，采用不同顏色相間表示層狀巖體，如圖2所示。

2．2參數(shù)標定

2．2．1基巖細觀力學參數(shù)標定

巖石宏觀力學參數(shù)不僅受到組成巖石的礦物顆粒大小、形狀和分布的影響，還與這些顆粒及其膠結(jié)物的變形和強度特性有關。利用顆粒流方法模擬巖石力學特性的細觀力學參數(shù)的確定過程，就是根據(jù)其宏觀力學參數(shù)不斷調(diào)整細觀參數(shù)使模擬結(jié)果與試驗結(jié)果誤差達到最小的過程［17］。

本文首先構(gòu)建均質(zhì)無層理面的圓柱體巖石數(shù)值試樣，進行基巖細觀力學參數(shù)的標定，試樣尺寸同2．1節(jié)所述。為了能較好地反映巖石類材料的力學性質(zhì)，顆粒之間相互接觸模型采用平行黏結(jié)模型［18］，由光滑無摩擦的“墻”來模擬模型邊界條件，以表1中模型材料的彈性模量、峰值強度和泊松比作為模擬目標，來標定巖石數(shù)值模型的細觀參數(shù)（顆粒本身的剛度及摩擦系數(shù)和顆粒間的平行黏結(jié)參數(shù)）。

經(jīng)過反復調(diào)試，得到滿足試驗結(jié)果的層狀巖體模型基巖細觀力學參數(shù)，見表2。模擬得到的基巖宏觀力學參數(shù)見表3。由表3可見，采用表2的細觀力學參數(shù)得到的基巖的宏觀力學參數(shù)與文獻［2］中模型材料的試驗結(jié)果（表1）吻合得很好。

表2　基巖細觀力學參數(shù)Table 2　Mesoscopic mechanical parameters for bedrock

表3　數(shù)值模擬基巖宏觀力學參數(shù)及其與表1結(jié)果的比較Table 3　Comparison of macroscopic mechanical parameters between numercical model and experimental result from table 1

圖2　不同層理面傾角的層狀巖體數(shù)值模型Fig．2　Numerical models of layered rock with different inclinations of bedding planes

在本文研究中，根據(jù)前人研究成果，經(jīng)過試算，取顆粒最小半徑1．0 mm，顆粒粒徑比1．66，可以兼顧計算時間和計算精度要求，此時單個巖石試樣顆?？倲?shù)為11 935個，從生成試樣到完成加載試驗，耗時約35 min。

2．2．2層理面細觀力學參數(shù)標定

首先對層狀巖體數(shù)值模型中層理面的基本特征作如下假定：

（1）數(shù)值模型中，顆粒最小半徑為1．0 mm，為減小層理間由于顆粒之間咬合力過大引起的誤差，取層理厚度為3．0 mm，即層理面兩側(cè)各1．5 mm范圍內(nèi)顆粒之間的細觀接觸參數(shù)采用層理面細觀參數(shù)，試樣層厚及總厚度保持不變。

（2）層理厚度范圍內(nèi)的顆粒之間的黏結(jié)仍采用平行黏結(jié)。由于本文只研究層狀巖體強度特性，為體現(xiàn)層理強度與基巖強度的差異性，層理面平行黏結(jié)法向與切向強度均取1．0×107Pa。

2．3層狀巖體強度特性

2．3．1層狀巖體強度特性理論解

對含多組層理面的巖體，巖體強度的確定方法是運用單層理面理論［1］，分別繪出每一個層理面單獨存在時的強度包絡線和應力莫爾圓。巖體沿哪組層理面破壞由σ1作用平面（及水平面）與各組層理面的夾角所決定。當單組層理面（各層理面相互平行）的黏聚力和摩擦角均相同時，巖體的強度特性與單層理巖體的強度特性相似［19］。上述模型中各層理面相互平行，故只需考慮基巖和相鄰巖層之間層理的強度包絡線和應力莫爾圓，如圖3所示。圖中cw和φw為層理面的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角，c0和φ0為基巖的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角。

圖3　單層理面理論示意圖Fig．3　Sketch of single bedding plane theory

層理面與最大主應力作用平面夾角為β，根據(jù)摩爾應力圓理論及摩爾-庫倫破壞準則可得，在單軸壓縮條件下σ3=0，層理產(chǎn)生剪切破壞的條件為

分別取表2所得基巖和層理面細觀力學參數(shù)制備圓柱體數(shù)值試樣，采用墻體運動來實現(xiàn)試樣的加載過程。通過不同圍壓下的三軸壓縮試驗分別獲得基巖和層理面在不同圍壓下的峰值強度，畫相應的摩爾應力圓，獲得強度包絡線，然后求解強度包絡線的斜率和截距即可分別求得基巖和層理面抗剪強度參數(shù)值，見表4。

表4　基巖和層理面抗剪強度參數(shù)Table 4　Shear strength parameters of bedrock and bedding plane

將表4中層理面的抗剪強度參數(shù)代入式（2），可求得含單組層理面巖體的相關強度參數(shù)，即β1= 24．44°，β2=84．56°。當β=54．5°時，單組層理面巖體的強度取最小值。

2．3．2層狀巖體強度特性數(shù)值模擬

針對圖1所示層狀巖體試樣，取2．2節(jié)標定的基巖和層理面細觀參數(shù)，開展層狀巖體的單軸壓縮數(shù)值試驗，得到層理面傾角β分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°時的層狀巖體試樣的強度變化曲線，如圖4所示。圖4中除本文的數(shù)值模擬結(jié)果外，還給出了單（組）結(jié)構(gòu)面巖體強度的理論解和文獻［2］中的試驗結(jié)果。表5為本文數(shù)值模擬結(jié)果。

圖4　不同層理傾角試件的強度曲線Fig．4　Curves of peak strength vs．bedding inclination among simulation，experiment and theory results

由圖4，表5的數(shù)值模擬結(jié)果可知，當層理面傾角在0～30°變化時，試樣強度略有降低，但降低幅度不大；當層理面傾角超過30°時，試樣強度發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在60°左右取最小值。該數(shù)值模擬結(jié)果與文獻［2］中的室內(nèi)試驗結(jié)果基本吻合，說明采用本文方法及標定的細觀參數(shù)可以很好地模擬層狀巖體的強度特性。

此外，從圖4還可以看到，無論是試驗結(jié)果還是數(shù)值模擬結(jié)果，與理論結(jié)果的變化趨勢基本一致，但具體數(shù)值則存在一定差距。主要是層理面的理論簡化與實際巖體中及數(shù)值試樣中的層理面有一定的差距。

在實際的層狀巖體試樣和數(shù)值模擬試樣中均含多個層理面，各層理面的力學性質(zhì)往往不可能完全相同；即使是同一個層理面，也往往由于存在凹凸不平、顆粒咬合等情況，層理面上各處的物理力學性質(zhì)也不是均勻的。而理論上假定層理面是一個具有一定內(nèi)摩擦角和黏聚力的均勻平面，且一組層理面中各個層理面的參數(shù)都完全相同。同時，理論層理面是在理想狀態(tài)下遵循摩爾-庫倫破壞準則，而實際巖樣以及顆粒流模型中的層理面內(nèi)其破壞形式可能并不完全是剪切破壞。因此，理論結(jié)果是一條比較規(guī)則的曲線，而試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果則明顯不同。

表5　不同層理面傾角數(shù)值模擬結(jié)果Table 5　Numerical results of peak strength with different inclinations of bedding plane

圖5　不同層理傾角巖樣峰值強度時的裂紋分布和破壞時的位移矢量Fig．5　Displacement vectors and crack distribution at peak strength for specimens with different bedding inclinations

3　層理面傾角對破壞模式的影響

層狀巖體強度特性的數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，采用顆粒流方法可以較好模擬層狀巖體的強度特性，而且可以進一步分析層狀巖體的破壞模式及層理面細觀參數(shù)的影響。

通過不同層理面傾角下層狀巖體試樣達到峰值強度時的裂紋分布圖以及顆粒的位移矢量圖，可清晰地看出不同層理面傾角對巖樣破壞模式的影響。

圖5（a）、圖5（b）分別為不同層理傾角的層狀巖體試樣在達到峰值強度時的裂紋分布圖和顆粒位移矢量圖。

圖5（a）中黑色表示平行黏結(jié)法向破裂，白色表示平行黏結(jié)切向破裂，黏結(jié)的破壞代表裂紋的產(chǎn)生。從圖5（a）中可以看出，當層理面傾角在0°～30°范圍內(nèi)時，裂紋在層狀巖體試樣中的分布很廣，在達到峰值強度時基巖中也存在大量裂紋，表示層狀巖體試樣的強度由基巖強度決定。當層理傾角在45°～75°范圍內(nèi)時，裂紋大部分集中在層理面內(nèi)，在達到峰值強度時基巖內(nèi)幾乎沒有裂紋，表示層狀巖體的強度主要由層理面強度決定。當層理面傾角為60° 和75°時，這種特征尤為明顯，因而此時層狀巖體強度最小。當層理面傾角達到90°時，基巖內(nèi)又開始出現(xiàn)大量裂紋，表明層狀巖體的強度又轉(zhuǎn)變?yōu)橛苫鶐r強度決定。這一變化趨勢與前述的理論分析結(jié)果是一致的。

從圖5（b）中可以看出，當層理面傾角在0°～15°范圍內(nèi)變化時，層狀巖體試樣在單軸應力的作用下受到壓縮作用，作用力通過層理面向試樣中部傳遞。試樣上、下底面的顆粒位移矢量方向與加載方向基本保持一致，試樣中部顆粒有向兩側(cè)變形的趨勢，但整個試樣中沒有出現(xiàn)明顯的相對滑移面，說明巖樣的破壞形態(tài)屬于橫向張裂破壞，與完整巖樣在單軸壓縮狀態(tài)下的破壞模式基本相同。當層理面傾角在30°～45°范圍內(nèi)變化時，層狀巖體試樣中開始出現(xiàn)沿層理面的相對滑移；當層理面傾角增加到60°～75°時，巖樣中沿層理面的相對滑移現(xiàn)象更加明顯。因此當層理面傾角在30°～75°范圍內(nèi)變化時，層狀巖體試樣的破壞特征由張裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠貙永砻娴募羟谢瑒悠茐摹?/p>

當層理面傾角接近90°時，作用在層狀巖體試樣上的作用力相當于作用在豎向組合柱上，荷載為豎向傳遞，不同巖層的位移大小和方向有所不同。由顆粒位移矢量可見，中部巖層顆粒的位移方向幾乎與加載方向相同，而兩側(cè)巖層顆粒位移則基本為向試樣兩側(cè)的水平位移，說明試樣形成了沿層理面的張拉破壞［4］。

4　層理面細觀力學參數(shù)對巖體宏觀強度特性的影響

由第2．3節(jié)的層狀巖體強度特性的理論解可知，當層理面傾角β滿足β1≤ β≤ β2時，層狀巖體強度由層理面強度決定，因此，這里有必要針對層理面力學參數(shù)對層狀巖體強度特性的影響進行分析。

采用顆粒流方法，從細觀角度出發(fā)，可以將層理面厚度范圍內(nèi)顆粒之間的力學作用分為如下3種類型：黏結(jié)作用、摩擦作用和咬合作用，在宏觀上這3種作用體現(xiàn)的就是層理面的黏聚作用和摩擦作用。本文將針對細觀層面上顆粒之間的3種作用對層狀巖體強度特性的影響開展研究。限于篇幅，假定β=0°時層狀巖體強度取最大值、β=60°時層狀巖體強度取最小值，為此僅對β=0°和β=60°的2種情況進行分析，通過比較β=0°和β=60°時層狀巖體的峰值強度來進行討論。

根據(jù)控制變量的原理，將第2．2節(jié)標定的層理面細觀參數(shù)設為初始參數(shù)值，分別改變層理面厚度范圍內(nèi)顆粒之間黏結(jié)強度、摩擦系數(shù)以及層理面的厚度而不改變其余參數(shù)，來討論以上3種作用分別對層狀巖體強度特性的影響。

定義層狀巖體強度比為η，即最大強度和最小強度之比為式中R0°，R60°分別為β=0°和β=60°時的巖體峰值強度。

4．1層理面顆粒的黏結(jié)作用

取層理厚3．0 mm，層理厚度范圍內(nèi)顆粒的摩擦系數(shù)仍為0．5，通過依次改變層理中平行黏結(jié)的強度來分析黏結(jié)強度對層狀巖體強度特性的影響?；鶐r黏結(jié)強度均值為43．0 MPa。數(shù)值模擬結(jié)果如表6及圖6所示。

表6　層理顆粒不同黏結(jié)強度時層狀巖體強度及強度比Table 6　Rock strengths and strength ratios under different bonding strengths of bedding particle

圖6　不同黏結(jié)強度下層狀巖體強度及強度比Fig．6　Rock strengths and strength ratios of layered rock mass under different bonding strengths

由表6和圖6可以看出，當層理平行黏結(jié)強度參數(shù)在1．0×10-3～7．5 MPa間變化時，層狀巖體最大和最小峰值強度以及強度比變化都非常小，說明此時層理的黏結(jié)強度的變化對巖體強度的影響很小。當層理黏結(jié)強度超過7．5 MPa時，層狀巖體的最大強度呈緩慢上升趨勢，而其最小強度則呈快速上升趨勢，逐步接近層狀巖體的最大強度值，即層狀巖體強度比逐步趨近于1。

由以上分析可知，當層狀巖體層理面黏結(jié)強度遠小于基巖的黏結(jié)強度時，層理面黏結(jié)強度大小對巖體的最大、最小強度及強度比影響很小；而當層理面黏結(jié)強度參數(shù)與基巖的黏結(jié)強度參數(shù)接近或在同一個數(shù)量級時，隨著層理面黏結(jié)強度的增大，層理面的黏結(jié)強度對層狀巖體強度的影響就會明顯增大，尤其是使層狀巖體的最小強度快速增大，即使巖體強度比明顯減小。

4．2層理面顆粒的摩擦作用

取層理厚度3 mm，層理厚度范圍內(nèi)顆粒的黏結(jié)強度保持為1．0×107Pa，通過改變層理厚度范圍內(nèi)顆粒的摩擦系數(shù)來分析顆粒摩擦作用對層狀巖體強度的影響?；鶐r部分顆粒間的摩擦系數(shù)仍然為0．5。數(shù)值模擬結(jié)果如表7、圖7所示。

表7　層理顆粒不同摩擦系數(shù)時的層狀巖體強度及強度比Table 7　Rock strengths and strength ratios under different friction coefficients of bedding particle

圖7　不同摩擦系數(shù)下層狀巖體強度及強度比Fig．7　Rock strengths and strength ratios of layered rock mass under different friction coefficients

由表7及圖7可以看出，當層理顆粒摩擦系數(shù)在0．3～1．0之間變化時，層狀巖體的最大、最小強度和強度比均變化很小，說明層理顆粒的摩擦作用對層狀巖體強度的影響很小，因此，在分析中可以將顆粒間摩擦系數(shù)取為0．3～1．0范圍內(nèi)的固定值，這樣對層狀巖體強度的影響幾乎可以忽略不計。

4．3層理面顆粒之間的咬合作用

在本文分析中，經(jīng)過試算，采用的顆粒最小半徑為1．0 mm，粒徑比為1．66，可以兼顧計算速度和精度要求。層理厚度取為3．0 mm，能夠較好地模擬層狀巖體的強度特性。對于本文采用的最小顆粒半徑和粒徑比，當層理的厚度減小時，在層理厚度范圍內(nèi)的顆粒數(shù)會減少，層理兩側(cè)粗糙邊界之間的咬合作用會增強（基巖顆粒的黏結(jié)強度參數(shù)一般大于層理顆粒的黏結(jié)強度參數(shù)）。為說明這種咬合作用，采用層理厚度分別為4．0 mm和6．0 mm 2種情況的細觀示意圖來說明，如圖8所示，圖中為了區(qū)分不同巖層，采用紅色、黃色顆粒分別代表層理兩側(cè)的不同巖層，而采用藍色顆粒代表主要位于層理厚度范圍內(nèi)的顆粒。

圖8　層理厚為4．0 mm和6．0 mm時的顆粒細觀示意圖Fig．8　Sketch of meso-scale structure of particles with bedding thickness of 4．0 mm，6．0 mm，respectively

由圖8中的（a）與（b）比較可以看出，層理厚度取6．0 mm時，在層理厚度范圍內(nèi)的顆粒數(shù)明顯比層理厚度取4．0 mm時的顆粒數(shù)多。一般來說，沿層理面發(fā)生的層狀巖體試樣破壞為剪切破壞。層理厚度越大，層理厚度范圍內(nèi)易發(fā)生黏結(jié)破壞的顆粒增多，即顆粒的“滾動性”增強，從而使層理兩側(cè)巖層之間的咬合作用降低，層理兩側(cè)巖層將更容易發(fā)生相對的剪切滑移，即發(fā)生剪切破壞。為此，取層理厚度范圍內(nèi)顆粒的黏結(jié)強度為1．0×107Pa，摩擦系數(shù)為0．5。通過依次改變層理厚度來分析層理顆粒的咬合作用對層狀巖體強度特性的影響?；鶐r部分顆粒的細觀參數(shù)不變。數(shù)值模擬結(jié)果如表8和圖9所示。

表8　不同層理厚度下的層狀巖體強度及強度比Table 8　Rock strengths and strength ratios underdifferent bedding thicknesses

圖9　不同層理厚度下層狀巖體強度及強度比Fig．9　Rock strengths and strength ratios of layered rockmass under different bedding thicknesses

由圖9（a）可以看出，在層理厚度等于最小顆粒半徑（1．0 mm）時，層狀巖體的最大、最小強度接近相等，表明此時層狀巖體各個方向的強度基本相同，表現(xiàn)出近各向同性的性質(zhì)，此時在層理厚度范圍內(nèi)采用層理顆粒接觸參數(shù)的顆粒數(shù)很少，層理面的咬合作用非常大，使層理面對層狀巖體強度的影響幾乎可以忽略不計。

由圖9（a）還可以看出，隨著層理厚度增大，層狀巖體的最大強度（β=0°時）呈緩慢近線性遞減趨勢，這是因為隨層理厚度的增大，層理總厚度相對巖體高度的比例也在增大，導致巖體強度逐步降低。當層理厚度由1．0 mm增加到3．0 mm時，層狀巖體的最小強度（β=0°時）呈快速遞減趨勢，即隨著層里厚度的增大，層理顆粒間的咬合作用減弱，巖體沿層面剪切破壞的可能性逐步增大。由圖9（b）也可看出，當層理厚度由1．0 mm增加到3．0 mm時，層狀巖體強度比呈近線性增大，說明此階段層理厚度對層狀巖體強度特性的影響很大。

由圖9（b）還可以看出，當層理厚度達到3．0 mm后，層狀巖體的最小強度和強度比幾乎不變，說明層理厚度對層狀巖體強度和強度比的影響達到“飽和”，層理厚度已經(jīng)能夠保證在層理面傾角合適時，層狀巖體將沿層理面發(fā)生剪切破壞，此時層理面厚度已經(jīng)足以保證層理顆粒間的咬合作用不會阻止層狀巖體沿層理面發(fā)生的剪切破壞而形成滑移面。因此，在采用顆粒流進行層狀巖體力學特性數(shù)值模擬時，為了避免層理厚度過大而導致與實際巖層不符的情況，層理厚度不能取值過大，應以不影響巖體沿層理面的剪切破壞為宜，在本文情況下，取層理厚度為3．0 mm，即最小顆粒半徑的3倍是合適的，可為以后的研究工作提供參考。

5結(jié)論

本文采用顆粒流方法，研究了層理面細觀參數(shù)對層狀巖體強度特性的影響，主要結(jié)論如下。

（1）采用顆粒流方法建立了層狀巖體數(shù)值模型，針對Tien等［2］的試驗結(jié)果，對模型的細觀參數(shù)進行了標定，然后對不同層理面傾角的數(shù)值試樣，開展單軸壓縮試驗的數(shù)值模擬，模擬所得不同層理傾角的層狀巖體的強度結(jié)果與Tien等［2］的室內(nèi)試驗結(jié)果吻合很好，與單層理面試樣的理論結(jié)果存在一定的差距，但總體趨勢基本一致，說明本文采用的顆粒流方法是合理可行的。

（2）層狀巖體的強度與層理面傾角密切相關。當層理面傾角接近0°或者90°時，層狀巖體強度很高，接近基巖強度；當層理面傾角處于60°～75°時，層狀巖體強度最低。

（3）層狀巖體的破壞模式也與層理面傾角密切相關。當層理面傾角處于0°～15°時，試樣屬于張裂破壞。隨著層理面傾角的增大，層狀巖體試樣逐步從張裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠貙永砻娴募羟衅茐?，當層理面傾角為60°～75°時，試樣的剪切破壞特征最明顯。當層理傾角接近90°時，層狀巖體試樣的破壞又轉(zhuǎn)變?yōu)檠貙永砻娴膹埨茐摹?/p>

（4）當層理面厚度范圍內(nèi)的顆粒黏結(jié)強度遠小于基巖顆粒黏結(jié)強度時，層理厚度范圍內(nèi)的顆粒黏結(jié)強度對層狀巖體的強度影響很?。坏攦烧唣そY(jié)強度比較接近時，層理厚度范圍內(nèi)的顆粒黏結(jié)強度對層狀巖體強度的影響逐漸增強。

（5）層理厚度范圍內(nèi)的顆粒之間的摩擦作用對層狀巖體強度的影響最小，幾乎可以忽略不計。

（6）層理厚度范圍內(nèi)顆粒之間的咬合力由層理厚度體現(xiàn)，層理厚度的取值對層狀巖體強度的影響很大。當層理厚度取值過小時，層理顆粒的咬合力很大，使層狀巖體的強度接近于基巖強度；層理厚度取值過大，可能導致與實際情況不符。研究結(jié)果表明，在本文顆粒級配條件下，取層理厚度為3．0mm，即3倍最小顆粒半徑是合適的。

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（編輯：姜小蘭）

Influence of Meso-mechanical Parameters of Bedding Plane on Strength Characteristics of Layered Rock Mass

XIA Lei，ZENG Ya-wu，ZHANG Sen
（School of Civil and Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan430072，China）

The influence of meso-mechanical parameters at bedding plane on the strength characteristics of layered rock mass was studied by using particle flow method．Mechanical parameters of the bedding plane were divided into three aspects at meso-scale：bond strength，friction action and interlocking．The impact of bedding mechanical parameters on the overall strength of the rock mass was preliminarily analyzed，in association with uniaxial compression tests under different bedding inclinations by numerical simulation．The results showed that：（1）when the difference between bedding bond strength and bedrock strength is big enough，the impact can be negligible，but smaller the difference is，bigger the impact is；（2）the friction of the bedding structure has little effect on the overall strength of rock mass；（3）bedding thickness reflects the interlocking，and it was an important influencing factor for global macroscopic strength of rock specimen；（4）under particle distribution in the experiment，it is rational when bedding thickness is about three times as much as the smallest particle radius．

layered rock mass；particle flow method；bedding plane；failure mode；meso-mechanical parameter

TU45

A

1001-5485（2016）07-0068-08

2015-05-29；

2015-08-13

國家自然科學基金項目（41272342）

夏磊（1990-），男，湖北荊州人，博士研究生，主要從事巖石力學與工程等方面的研究工作，（電話）18207162456（電子信箱）xialei2009@whu．edu．cn。

曾亞武（1964-），男，湖北安陸人，教授，博士，主要從事地下建筑工程與巖石力學的教學與科研工作，（電話）13808653023（電子信箱）zengyw@whu．edu．cn。