層厚比對(duì)水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

崔華龍，葉四橋

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

砂泥巖互層狀巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：存在層面以及定向排列，巖體變形主要受巖層組合和層面所控制，軟巖、硬巖有不同的地質(zhì)及工程特性，軟硬互層巖體的強(qiáng)度和變形特性則較為復(fù)雜多變。影響該類組合地層性質(zhì)的因素一般有軟巖厚度、巖層傾角以及軟巖強(qiáng)度等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟硬互層巖體的強(qiáng)度理論、變形特征等方面做了許多工作[1～15]。在試驗(yàn)研究方面，鮮學(xué)福等[1]、王玉川等[9]通過(guò)室內(nèi)巖石試驗(yàn)研究軟硬互層巖體層間特性以及軟硬巖層各自對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。王志榮等[10]通過(guò)對(duì)互層狀巖鹽進(jìn)行單軸和三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)巖體變形主要受鹽巖影響。丁秀麗等[8]通過(guò)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，研究了不同類型軟、硬巖石的蠕變破壞規(guī)律。Fabre G等[3]和Shin K等[4]通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了不同互層巖體的強(qiáng)度和蠕變特性，發(fā)現(xiàn)泥巖有顯著的粘塑性。吳渤等[2]用水泥和石英砂作為模型材料通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)研究了巖層傾角對(duì)互層巖體變形的影響。

此外，數(shù)值模擬手段也被廣泛用來(lái)研究軟硬互層巖體的工程特性[11～15]，如Halakatevakis等[5]通過(guò)UDEC對(duì)含有幾組結(jié)構(gòu)面的巖體進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度的模擬。鄧榮貴等[6]研究了層狀巖體的變形特性和強(qiáng)度特性，得到了巖體的節(jié)理數(shù)、軸向應(yīng)力、傾角和圍壓對(duì)變形模量和強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。郭松峰等[7]通過(guò)FLAC3D研究了含結(jié)構(gòu)面的巖體的變形規(guī)律，得出隨著結(jié)構(gòu)面的增多，巖體變形參數(shù)減弱，且加大了結(jié)構(gòu)面控制巖體破壞的概率。

目前對(duì)于軟硬互層巖體，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中一般按Ⅳ圍巖處理[16]。建筑邊坡規(guī)范[17]中規(guī)定“確定巖質(zhì)邊坡的巖體類型時(shí)，由堅(jiān)硬程度不同的巖石互層組成且每層厚度小于或者等于5 m的巖質(zhì)邊坡宜視為由相對(duì)軟弱巖石組成的邊坡。當(dāng)邊坡巖體由兩層以上單層厚度大于5 m的巖體組成時(shí)，可分段確定邊坡巖體類型。”當(dāng)單層厚度小于5 m時(shí)，巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)直接按相對(duì)軟弱巖層取值是否合理未得到系統(tǒng)探討。

本文以砂泥巖互層巖體為研究對(duì)象，引入層厚比，指砂泥巖互層巖體中泥巖層厚與砂巖層厚之比，基于FLAC3D三軸數(shù)值試驗(yàn)方法，研究層厚比、層厚對(duì)水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)和變形特征的影響規(guī)律。

1 數(shù)值試驗(yàn)原理與方法

在本次試驗(yàn)中，將各向異性的巖體視為各向同性。根據(jù)胡克定律：

(1)

基于FLAC3D模擬三軸數(shù)值試驗(yàn)的步驟為：

(1)擬定長(zhǎng)方體試件，試件砂泥巖互層巖體，長(zhǎng)方體沿高的方向?yàn)檩S壓方向，四周施加圍壓。

(2)在四周施加圍壓σ3，保持圍壓不變，在豎直方向以1×10-5m/s的速度施加軸向位移，得出每次軸向位移施加后巖樣面上所受的壓力，該面上的應(yīng)力為此壓力除以該面的面積。

(3)不斷增大軸向位移，共運(yùn)行15 000步，由應(yīng)力應(yīng)變曲線得出最大軸應(yīng)力σ1。

(4)改變圍壓σ3，重復(fù)以上步驟，繪制不同圍壓下的應(yīng)力圓包絡(luò)線，由此求解水平砂泥巖互層巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2 水平砂泥巖互層巖體數(shù)值試驗(yàn)

2.1 模型參數(shù)的選取及模型建立

為研究層厚比對(duì)水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，互層巖體物理力學(xué)參數(shù)參考西南地區(qū)砂泥巖互層巖體的力學(xué)參數(shù)，泥巖重度24.5 kN/m3，體積模量16.7 GPa，剪切模量12.5 GPa，內(nèi)摩擦角20°，抗拉強(qiáng)度0.35 MPa，黏聚力2 MPa。砂巖重度26 kN/m3，體積模量75 GPa，剪切模量34.6 GPa，內(nèi)摩擦角40°，抗拉強(qiáng)度2 MPa，黏聚力30 MPa，擬定為水平巖層，模型尺寸1 m×1 m×2 m，共劃分2 000個(gè)單元(圖1)。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model

2.2 數(shù)值試驗(yàn)方案

為研究不同砂泥巖層層厚比對(duì)水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，保持巖層傾角、巖性等因素不變，進(jìn)行三軸數(shù)值試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表1。對(duì)每組試驗(yàn)分別施加0.1，0.5，1 MPa的圍壓，通過(guò)三軸數(shù)值試驗(yàn)，記錄不同圍壓下，水平砂泥巖互層巖體破壞的最大軸壓力，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出巖體破壞時(shí)的摩爾應(yīng)力圓，進(jìn)而求出不同層厚比下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

表1 三軸數(shù)值試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 層厚比對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

3.1 層厚比對(duì)巖體黏聚力的影響

由三軸數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果得到水平砂泥巖互層巖體的黏聚力在不同層厚比下的變化趨勢(shì)見圖2。隨著層厚比的增大，互層巖體的黏聚力減小，最終趨于穩(wěn)定。砂泥巖互層巖體的層厚比以0.75為界，小于0.75時(shí)，層厚比越小黏聚力越大，大于0.75時(shí)，黏聚力則不隨層厚比增加而繼續(xù)削弱，即對(duì)于層厚比大于0.75的砂泥巖互層巖體黏聚力按泥巖取值是可行的；層厚比在0.75以下時(shí)，則需要考慮層厚比對(duì)砂泥巖互層巖體黏聚力的影響，推測(cè)由于層厚比越小，硬巖對(duì)巖體黏聚力的貢獻(xiàn)越大，其增大效應(yīng)不可忽略，從數(shù)值試驗(yàn)得到的結(jié)果來(lái)看，可按1～4倍的泥巖黏聚力取值。

圖2 層厚比對(duì)水平砂泥巖互層巖體黏聚力的影響Fig.2 Influence of different thickness ratios on the cohesion of rock mass

3.2 層厚比對(duì)巖體內(nèi)摩擦角的影響

水平砂泥巖互層巖體的內(nèi)摩擦角隨著層厚比的增大呈減小趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定(圖3)。由數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果可知，同層厚比對(duì)水平砂泥巖互層巖體黏聚力的影響規(guī)律類似，當(dāng)層厚比小于0.75時(shí)，砂泥巖互層巖體的內(nèi)摩擦角變化范圍較大，僅按泥巖取值不夠準(zhǔn)確，其內(nèi)摩擦角應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)等確定；而層厚比大于0.75時(shí)，巖體內(nèi)摩擦角在20°上下變化，同泥巖內(nèi)摩擦角相仿，則說(shuō)明在此情形下，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)按泥巖的內(nèi)摩擦角取值是客觀可行的。

圖3 層厚比對(duì)水平砂泥巖互層巖體內(nèi)摩擦角的影響Fig.3 Influence of different thickness ratios on the angle of internal friction of rock mass

3.3 層厚比對(duì)巖體變形特征的影響

圖4是巖體中巖層數(shù)為4層時(shí)不同層厚比的試件變形特征圖。在軸壓和圍壓作用下，層厚比較小時(shí)，試件的變形在砂、泥巖層都有發(fā)生，破壞范圍較大，隨著層厚比的增大，其變形范圍上移，當(dāng)層厚比大于0.5時(shí)，試件的變形破壞發(fā)生在軟巖部分，硬巖部分基本不出現(xiàn)變形或僅出現(xiàn)少量變形，也就是說(shuō)軟巖控制了水平砂泥巖互層巖體的變形。

圖4 不同層厚比情況下巖體的變形特征Fig.4 Deformation features of rock mass under different thickness ratios

4 層厚對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

4.1 層厚對(duì)巖體黏聚力的影響

保持泥巖和砂巖巖層厚比不變，改變砂泥巖的層厚，在不同圍壓下，得出其抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律(圖5)。由試驗(yàn)結(jié)果可得，層厚比小于0.2時(shí)，試件分層數(shù)越多，層厚越薄，黏聚力越大，且遠(yuǎn)大于泥巖，也就是說(shuō)實(shí)際工程中不應(yīng)僅按泥巖取值。層厚比大于0.2時(shí)，黏聚力隨層厚的變化較小，基本與泥巖的黏聚力一致，可按泥巖取值。所以，建議在實(shí)際工程中，層厚對(duì)水平砂泥巖互層巖體黏聚力的影響規(guī)律要區(qū)分不同層厚比來(lái)確定。

圖5 層厚對(duì)巖體黏聚力的影響Fig.5 Influence of the same thickness ratio and different thicknesses of layers on the cohesion of rock mass

4.2 層厚對(duì)巖體內(nèi)摩擦角的影響

層厚比相同時(shí)，巖層厚度對(duì)水平砂泥巖互層巖體有明顯的影響(圖6)。當(dāng)層厚比在0.1～0.75時(shí)，隨著巖層厚度的減小，水平砂泥巖互層巖體內(nèi)摩擦角的變化范圍較大，具體取值建議根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)確定；層厚比為0.75～2時(shí)，隨著巖層厚度的減小，其變化不明顯，且趨近于泥巖的內(nèi)摩擦角，可按泥巖取值。

圖6 層厚對(duì)水平砂泥巖互層巖體內(nèi)摩擦角的影響Fig.6 Influence of the same thickness ratio and different thicknesses of layers on the angle of the internal friction of rock mass

4.3 層厚對(duì)巖體變形特征的影響

圖7為砂泥巖層厚度比為0.5、分層數(shù)分別為2，4，6，8層試件的破壞模式，其在模擬結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值分別為1.502 9×10-1，1.039 2×10-1，1.023 9×10-2以及1.014 5×10-1。結(jié)果表明：隨著互層巖體巖層厚度的減小，巖體變形量逐步減小，并且變形范圍由分層數(shù)為2時(shí)的泥巖破壞擴(kuò)大至砂泥巖共同破壞。砂巖層厚度為1.333 m、泥巖層厚度為0.667 m時(shí)巖體的變形量大約是砂巖層厚度為0.333 m、泥巖層厚度為0.167 m時(shí)的1.5倍，可見巖層厚度的改變對(duì)砂泥巖互層巖體變形量的影響較明顯。

圖7 不同層厚情況下巖體的變形特征Fig.7 Deformation features of rock mass with the same thickness and different thicknesses of layers

5 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，層厚比對(duì)水平砂泥巖互層巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和變形特征有顯著影響。以0.75為界，小于0.75時(shí)，層厚比越小黏聚力越大，內(nèi)摩擦角的變化范圍也比較大；大于0.75時(shí)，黏聚力則不隨層厚比增加而繼續(xù)削弱，內(nèi)摩擦角在20°上下變化。即對(duì)于層厚比大于0.75的水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)按泥巖取值是可行的；當(dāng)層厚比在0.75以下時(shí)，則需要考慮硬巖對(duì)砂泥巖互層巖體的黏聚力的增大效應(yīng)，巖體黏聚力可按1～4倍的泥巖黏聚力取值，巖體內(nèi)摩擦角僅按泥巖取值不客觀，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)等確定。

(2)在層厚比不變的情況下，層厚對(duì)互層巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響顯著。層厚比小于0.2時(shí)，互層巖體的黏聚力隨層厚變化較大，不應(yīng)僅按泥巖取值，具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)確定；層厚比大于0.2時(shí)，黏聚力隨層厚的變化較小，可按泥巖取值。層厚比小于0.75時(shí)，互層巖體的內(nèi)摩擦角隨層厚變化較大，也說(shuō)明僅按泥巖取值不客觀；層厚比大于0.75時(shí)，巖體內(nèi)摩擦角隨層厚的變化較小，不管層厚如何變化，均可按泥巖的內(nèi)摩擦角取值。

(3)水平砂泥巖互層巖體的變形特征也與巖體層厚比和層厚有關(guān)。厚度比較小時(shí)，巖體變形發(fā)生在砂巖層，破壞范圍較大，隨著厚度比的增大，其變形破壞發(fā)生在軟巖部分，硬巖部分基本不出現(xiàn)變形或出現(xiàn)少量變形；若巖體層厚比不變，層厚減小，巖體的變形范圍變大。