工程巖體力學參數(shù)狀態(tài)相關性初步分析及應用

梅松華，趙海斌

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；3.上?？睖y設計研究院有限公司，上海200434)

0 引 言

工程建設中，作為地基或建筑材料的巖石是經歷了多期次復雜地質構造作用和淺表生改造的地質體，其內發(fā)育了眾多不同性質、規(guī)模和方向的結構面，且賦存于復雜的地質環(huán)境(地應力場、滲流場和地熱場等)中。受巖性、巖體結構和賦存環(huán)境的綜合影響，巖體力學性質具有顯著的空間變異性，具體表現(xiàn)為不連續(xù)、非均勻、各向異性和非線性等特點，這些特點與巖體結構的空間展布狀態(tài)密切相關。隨著工程的興建，工程巖體賦存環(huán)境和荷載條件(自然的和人工的)將發(fā)生變化，并開始其復雜的時間相關性演化。工程巖體所處狀態(tài)的不同，其力學性質也不一樣，因此，表征巖體力學性質的參數(shù)具有明顯的狀態(tài)相關性特征。

影響工程巖體力學性質的因素非常復雜，與狀態(tài)相關的主要可以歸納為：巖體應力狀態(tài)、加載與卸載狀態(tài)、飽和與非飽和狀態(tài)、擾動與非擾動狀態(tài)、空間狀態(tài)與時間狀態(tài)。時間狀態(tài)中包含靜荷載長期作用、動荷載作用以及環(huán)境狀態(tài)的變化(干濕循環(huán)、溫度變化等)；空間狀態(tài)包含巖體結構的空間展布形態(tài)和荷載作用方式。實踐證明，巖體在高應力狀態(tài)下呈明顯的非線性特征；巖體的加載模量低于卸載模量；巖體強度隨水飽和度而變化；巖體力學參數(shù)具有尺寸效應和結構效應；遠離自由面的未擾動巖體，其力學參數(shù)的取值與臨近自由面(如掌子面、洞壁、坡面等)受擾動巖體力學參數(shù)的取值大不一樣，后者呈現(xiàn)明顯的應力狀態(tài)相關的各向異性，垂直于自由面的受擾動體中的變形模量和強度參數(shù)明顯降低。

表1 工程巖體系統(tǒng)狀態(tài)初步描述

長期以來，許多學者對合理選取巖體力學參數(shù)作了大量工作，提出很多分析方法和經驗準則[1-5]。綜合起來大致可分為3種類型：第1類是基于巖石力學試驗值，結合地質條件進行綜合取值；第2類是按工程巖體分級(類)，結合工程類比進行取值；第3類是按經驗準則進行取值。這些方法主要是針對巖體力學性質的某些影響因素來進行的，還沒有系統(tǒng)地研究工程巖體的狀態(tài)特征及其相關性。工程設計中，通常采用統(tǒng)一取值方法，對整個工程區(qū)，按不同的地質單元給出巖體力學參數(shù)，而地質單元的劃分主要考慮巖性、巖體的完整性和風化程度等因素。這種取值方法弱化了巖體力學性質的狀態(tài)相關性，越來越不滿足工程需求。

巖體力學參數(shù)的取值是與其狀態(tài)相關聯(lián)的，這就要求在進行巖石工程分析時，需要獲取一個隨著時空狀態(tài)變化的巖石力學參數(shù)場，而不僅僅是幾個離散的確定值。結合巖體所處狀態(tài)進行力學參數(shù)取值研究，可以提高參數(shù)取值的合理性。

1 工程巖體力學參數(shù)影響因素分析

工程巖體是在工程作用范圍內具有一定的巖石成分、結構特征及賦存于某種地質環(huán)境中的地質體。首先，巖體具有結構狀態(tài)，即物質構成與空間展布形態(tài)；其次，巖體處于不同的地質環(huán)境狀態(tài)中，其原巖應力場、滲流場、溫度場不同，風化、卸荷程度也不同；第三，工程巖體受工程活動的作用，巖體特性、環(huán)境狀態(tài)和荷載條件又會發(fā)生變化，在工程全生命周期內，巖體處于工程作用狀態(tài)中。如果將工程與巖體相互作用定義為一個系統(tǒng)，那么，這三種狀態(tài)表明了工程巖體系統(tǒng)所處的狀況。

工程巖體力學參數(shù)的主要影響因素包括[6]巖體結構狀態(tài)、地質環(huán)境狀態(tài)以及工程作用狀態(tài)，每一種狀態(tài)都會許多因素構成(見表1)。工程巖體有些狀態(tài)因素還會隨時間變化，也就是說，工程巖體力學性質會隨系統(tǒng)所處狀態(tài)的變化而改變。

工程建設所涉及的巖體是由不同巖石材料組成的、含有各種地質結構面的非均質、各向異性的不連續(xù)體。由于不同的巖體工程分布在從地表到地下深部巖層的不同位置，工程巖體所處狀態(tài)相當復雜。工程巖體表現(xiàn)的性態(tài)受到多種狀態(tài)因素的影響，而且不同因素的影響效應是不同的。因此，研究工程巖體的力學性質應該充分考慮巖體所處的狀態(tài)，在巖體工程穩(wěn)定分析中，其力學參數(shù)取值與狀態(tài)相關。

2 工程巖體狀態(tài)分類

工程巖體的狀態(tài)主要可以分為巖體結構、賦存地質環(huán)境及工程作用等三大類。結構體(巖石)是巖體的基本組成部分，結構體的力學性質反應巖體力學性質，結構體對巖體力學參數(shù)取值具有控制作用；其次，巖體結構面存在形態(tài)也對巖體結構力學效應存在較大影響，主要表現(xiàn)在巖體的爬坡角效應、尺寸效應及各向異性效應等方面；同時巖體地應力場、孔隙水壓力、溫度應力、卸荷條件等賦存條件和巖體組成成分一樣左右著巖體力學特性；工程巖體受工程活動的作用，巖體特性、環(huán)境狀態(tài)和荷載條件又會發(fā)生變化，在工程全生命周期內，巖體處于工程作用狀態(tài)中。

3 工程巖體狀態(tài)表述

巖體的狀態(tài)因素對巖體力學參數(shù)的影響是客觀存在的，工程巖體環(huán)境狀態(tài)的表述將直接影響到巖體力學參數(shù)取值問題。工程巖體狀態(tài)的表述是巖體結構主要采取巖體完整性及結構面特征等指標定性與定量相結合進行表述；巖體賦存地質環(huán)境主要通過地應力場、孔隙水壓力(滲流場)及溫度應力等指標進行定量表述；巖體工程作用主要根據(jù)工程荷載作用的時間、方式及類型進行綜合表述。

3.1 巖體結構狀態(tài)表述

3.1.1 巖體完整性

可以用動力法測定巖體完整性系數(shù)Kv，即

(1)

式中，Vml為巖體彈性縱波速度，km/s；Vcl為巖石彈性縱波速度，km/s。

巖芯質量指標RQD是長度在10 cm(含10 cm)以上的巖芯累計長度占鉆孔總長的百分比。

3.1.2 巖體結構面

結構面是巖體形成和地質作用的漫長歷史過程中，在巖體內形成和不斷發(fā)育地質界面，在連續(xù)介質力學理論中視為不連續(xù)面。

巖體結構面：①結構面產狀表征結構面的空間位置的參數(shù)，包括走向、傾向和傾角。②結構面間距是同組結構面之間的距離，通常用平均值表示。③結構面密集程度以巖體裂隙度K(指沿取樣線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量)和切割度Xe(巖體被節(jié)理割裂分離的程度)來表征。④結構面充填物及張開度是結構面兩個相對面之間的寬度及充填物質的性質。⑤結構面粗糙度JRC為較小一級的凹凸不平程度，參考典型JRC剖面確定。

3.2 地質環(huán)境狀態(tài)表述

地質環(huán)境狀況：①自重應力場是由地心引力引起的應力場。②構造應力場是由地質構造運動而引起的應力場。③孔隙水壓力是由水的自重形成的滲流場產生或作用在土體單元上的總應力發(fā)生變化導致的。④巖體溫度應力巖體隨地殼中溫度變化發(fā)生熱脹冷縮而產生的應力。⑤巖體卸荷帶是由于自然地質作用和人工開挖使巖體應力釋放而造成的具有一定寬度的巖石松動破碎帶。

3.3 工程作用狀態(tài)表述

工程作用狀態(tài)：①擾動。對巖體結構原狀進行的人為改變的行為。②靜荷載。不隨時間變化的恒載(如自重)和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準靜載。③動荷載。短時間快速作用的沖擊載荷、隨時間作周期性變化的周期載荷和非周期變化的隨機載荷。④荷載時效。在長期荷載作用下工程巖體隨時間變化的力學變形特性。

4 考慮狀態(tài)相關性的工程巖體力學參數(shù)取值一般思路

合理確定巖體力學參數(shù)一直是巖土工程界的重要研究課題，許多學者基于大量工程實踐，提出了多種確定巖體力學參數(shù)的研究思路，研究手段包括現(xiàn)場地質描述、物理試驗、數(shù)值仿真試驗、經驗分析法等等。

為確定工程巖體的力學參數(shù)，需要通過工程地質調查，根據(jù)巖體所含結構面的不同及結構體特性的差異，選取具有代表性的不同尺寸的巖塊和結構面，進行不同狀態(tài)下的系列室內力學試驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬試驗，建立狀態(tài)因素相關的巖體力學參數(shù)影響系數(shù)的函數(shù)關系式，進而確定巖體力學參數(shù)取值。

4.1 以扎實的工程地質勘查和分析為基礎

扎實的工程地質勘查和分析是合理確定巖體結構面力學參數(shù)的基礎。在查明工程巖體地質結構特征的基礎上，對巖體力學試驗研究及現(xiàn)場監(jiān)控進行合理的部署和設計；一方面要詳細地了解巖體的地質特征，使整個工作具有明確的目的性和足夠的代表性；另一方面，要全面地了解建筑物的特點及其與巖體的相互關系，使研究工作具有明顯的工程針對性。

4.2 試驗、監(jiān)控量測和數(shù)值模擬相結合

試驗通常包括室內和現(xiàn)場試驗，其原理、方法基本相同，只是尺寸不同。充分利用室內試驗作為巖體力學參數(shù)確定的重要參考，可以在保證取樣的代表性、試件數(shù)量足夠多、試驗環(huán)節(jié)原狀性等采取相應的措施；另外，經過大量資料的收集整理，可以初步建立起室內試驗和現(xiàn)場試驗結果間的對應關系；而且，還要把典型地質單元巖體力學試驗與巖體結構地質研究結合起來，通過對巖體結構的力學效應研究，對成果進行綜合分析、評價，從而給出大致可以表征工程巖體的力學性質。而實際巖體的力學性質，還可以在現(xiàn)場通過原型觀測和監(jiān)控進一步探索。在施工過程中，對巖體變形、應力進行觀測和監(jiān)測，通過反分析進一步研究巖體的變形及應力特性。

4.3 針對實際工程規(guī)模和特點具體分析

根據(jù)工程規(guī)模、重要性、影響力等因素，在技術可行、滿足工程精度要求、經濟合理的基礎上選取一種或幾種取值方法制定不同的取值方案：①對于大型、特大型工程應采用綜合方法評估巖體抗剪強度參數(shù)，在現(xiàn)場原位大剪試驗的基礎上，充分運用工程地質類比法、理論公式法以及位移反分析方法。各種方法相互映證，提出合理的巖體力學參數(shù)值，以確保重要工程安全。施工和使用過程中還應加強監(jiān)控，采用合適的方法進行跟蹤計算，采取相應的措施。②對于中小型常見工程，由于資金、工期、技術投入等方面的限制，參數(shù)取值可以從工程地質調查的基礎上，選取適量有代表性的試樣進行室內試驗，在試驗成果的基礎上結合當?shù)毓こ探涷炄≈?；或者在少量現(xiàn)場試驗的基礎上，結合當?shù)毓こ探涷?，利用工程地質類比法綜合取值；或者根據(jù)監(jiān)測資料采用反分析方法確定強度參數(shù)，并結合當?shù)毓こ探涷灷霉こ痰刭|類比法取值；或者通過工程地質類比法與經驗強度參數(shù)取值，并相互驗證，選取合理參數(shù)。此外，按影響工程穩(wěn)定性的實際要求，對c值、φ值的測量重點分開考慮。③針對不同的應用領域巖體力學參數(shù)的精度要求不同。邊坡對巖體抗剪強度取值精度要求比隧道高，因為邊坡穩(wěn)定性主要由結構面強度控制，而隧道的穩(wěn)定性主要取決于巖體強度。

4.4 采用動態(tài)參數(shù)設計理念

動態(tài)設計是相對于傳統(tǒng)設計而言的，主要是指在施工過程中依據(jù)現(xiàn)場觀測和監(jiān)控量測獲取工程與巖體相互作用的動態(tài)反饋信息、并及時對原有工程設計(或預設計)進行主動調整的設計方法。這一設計理念和方法實現(xiàn)工程動態(tài)設計施工，即“初步設計→施工→現(xiàn)場監(jiān)測→反演分析→調整計算參數(shù)、模型→再設計”這一循環(huán)過程，體現(xiàn)了工程與巖體的動態(tài)交互影響和“人與自然和諧”的思路，對巖石工程項目安全、高效施工起到了積極作用，目前在工程設計中越來越受重視。

總之，不同類型的工程巖體面臨的地質環(huán)境和工程環(huán)境較為復雜，沒有任何一種巖體參數(shù)取值方法具有普適意義。因此，需要針對具體工程地質條件和巖體結構面特征，考慮關鍵的環(huán)境狀態(tài)變量，以實測獲取方法為主，以工程地質類比法和專家經驗判斷為輔，結合現(xiàn)場監(jiān)控量測及數(shù)值分析方法，對工程巖體結構面參數(shù)進行綜合判斷和動態(tài)取值。

5 考慮結構面效應的拱壩壩肩巖體變形參數(shù)取值

拱壩壩肩巖體的變形與穩(wěn)定性是關系到大壩建設成敗的關鍵問題之一。影響壩肩巖體變形與穩(wěn)定性的主要作用來自于拱座傳遞給壩肩巖體的推力。在強大的拱座推力作用下，壩肩巖體沿推力方向會引起相應的壓縮變形，導致拱端巖體開裂(如圖1)；同時也會引起推力作用下方的巖體出現(xiàn)抗滑失穩(wěn)問題。由于無論是壩肩巖體的開裂，還是壩肩巖體滑移失穩(wěn)，都是壩肩巖體出現(xiàn)過大變形造成的。因此合理評價壩肩巖體在拱座推力作用下的變形特性顯得尤為重要。壩肩巖體在拱座推力作用下變形量的正確計算主要受控于巖體變形參數(shù)的合理選擇。

圖1 拱壩壩基的大變形破壞

圖2是最常見的拱壩壩肩巖體結構組成與拱座推力關系。由圖2可見，在層狀巖體中，拱座壩肩(基)巖體結構面與拱座推力方向總會存在一定的夾角。在常規(guī)的有限元變形分析時，一般沒有考慮拱壩壩肩巖體結構面對變形參數(shù)取值影響，而采用一個統(tǒng)一的、等效的變形模量來分析壩肩巖體在推力作用下的變形。研究可知：對于層狀結構巖體，變形特性及參數(shù)的大小與荷載作用方向有關。因此，一旦拱座建基面幾何關系確定下來后，應考慮實際荷載作用方向結合巖體變形的各向異性特征來確定合理的變形參數(shù)。

圖2 拱壩壩肩巖體受力方向

對于圖2a所示的壩肩巖體，不考慮其他結構面的影響，根據(jù)陡傾巖層與拱肩建基面的夾角(約20°)，結合巖體變形模量與巖層傾角關系，該壩肩巖體進行變形分析的變形模量推薦值為10.67 GPa；對于圖2b所示的陡傾巖層與拱肩建基面夾角約50°，巖體變形模量取9.97 GPa。這表明，圖2b所示壩肩巖體的變形量顯然要大于圖2a巖體的變形量。

6 結 語

本文以狀態(tài)描述了工程巖體的天然產出、賦存環(huán)境和工程作用，力求真實反映巖體在相關狀態(tài)的力學特性，為工程巖體力學參數(shù)取值這一關鍵技術問題開辟了新的研究途徑。但由于工程巖體系統(tǒng)及其狀態(tài)的復雜性，導致其力學參數(shù)取值存在很多的困難，需要深入認識其中所存在的問題，借助先進測試設備、試驗技術和數(shù)學力學最新研究成果，研究對工程巖體參數(shù)取值有影響的各種狀態(tài)因素，從而提高參數(shù)取值的合理性和準確性，使工程設計達到安全性和經濟性的統(tǒng)一。

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