節(jié)理粗糙度對巖石力學性質(zhì)的影響研究

朱勝華 （紹興文理學院，浙江 紹興 312000）

近代以來中國經(jīng)濟高速發(fā)展，對山區(qū)交通加快了建設的步伐，在建設施工中遇到的問題也日益突出。山區(qū)建設必不可少要和巖石接觸，而巖石在自然界中是一種較為復雜的地質(zhì)體，巖石在其生成過程以及形成后的各個時期內(nèi)因受到內(nèi)力外力的作用，其內(nèi)部會生成眾多類型的缺陷諸如裂紋、節(jié)理、層理、褶皺及弱面等，這些缺陷會對巖石的力學性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。節(jié)理貫穿巖石生成的整個過程，而且它在巖體中的分布也非常的廣泛，所以節(jié)理在影響著各類巖體的力學性質(zhì)，節(jié)理亦是一種控制各類巖體工程穩(wěn)定性的關鍵因素。因此，深入研究節(jié)理力學性質(zhì)、形貌損傷以及破壞模式有著重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外的學者通過了大量的巖體節(jié)理粗糙對巖體力學性質(zhì)進行了的研究發(fā)現(xiàn)：首先，在節(jié)理面粗糙度的理論研究上，Barton率先提出了節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC（joint roughness coefficient）這個概念，此概念描述了巖石表面的粗糙形貌特征，JRC值的大小通?？梢酝ㄟ^比較法或根據(jù)直剪試驗確定。再此之后Barton等又于1977年提出了10條JRC值分別為0～20的標準輪廓曲線，所需要確定JRC的結(jié)構(gòu)面可以通過與標準輪廓曲線對照的方法確定結(jié)構(gòu)面粗糙度的的大小。這為巖體結(jié)構(gòu)粗糙度確定了標準，現(xiàn)已被國際巖石力學學會收藏并推薦使用。

在而后的理論研究階段，許多學者通過研究分形維數(shù)D與巖體粗糙度參數(shù)回歸分析，初步建立了粗糙度參數(shù)或分形維數(shù)D與結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的相關公式，用于巖體粗糙度系數(shù)的估算。在粗糙節(jié)理巖石的理論研究的支持下在粗糙節(jié)理巖石的試驗研究和數(shù)值模擬上已取得顯著的成果，關于粗糙節(jié)理巖石的試驗研究主要以剪切和滲流試驗為主，Zandarin等對不同起伏角的鋸齒狀節(jié)理巖石進行了剪切試驗，并對其進行了數(shù)值模擬，研究了節(jié)理粗糙度和吸力對其強度的影響。Barton從大量的試驗中發(fā)現(xiàn)水力等對真實巖石節(jié)理面進行循環(huán)剪切試驗。賀玉龍等進行不同節(jié)理粗糙度系數(shù)單裂隙滲流試驗，通過Barton提出的JRC輪廓曲線制作出10個含有不同JRC的巖石試樣，測試不同JRC值試塊的滲透性，從而得出不同JRC值單裂隙滲透率與有效應力之間的關系。關于粗糙節(jié)理巖石的數(shù)值模擬研究主要是為了解決巖石節(jié)理面細觀特性難以觀察及同一節(jié)理難以復制進行多組試驗的問題，相關學者采用數(shù)值模擬軟件能夠較為真實地模擬節(jié)理表面，分析節(jié)理面的細觀特性及其破壞機制。這些研究涉及節(jié)理粗糙度、巖石剪切和滲流的試驗，但對于粗糙節(jié)理巖石三軸壓縮試驗的研究成果較少，而三軸試驗更能反映工程中的問題。等效隙寬和機械隙寬的關系與裂隙粗糙度有關。

黃慶云等通過對現(xiàn)場礦山邊坡進行測量，借助于現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探補勘等方法獲得巖體的基本參數(shù)：巖性，節(jié)理組數(shù)，節(jié)理各參數(shù)，然后通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗對巖石和巖體的力學性質(zhì)進行分析，該試驗的主要研究方法是基于現(xiàn)場調(diào)查，以室內(nèi)試驗輔之，獲取正確的巖體參數(shù)對礦山的開采安全具有重要意義。

楊圣奇、陸家煒等人也是利用不同粗糙度系數(shù)的試塊進行三軸壓縮試驗研究，利用3D打印機制造不同粗糙度的節(jié)理巖石試樣，采用GCTS高溫高壓動靜巖石三軸試驗系統(tǒng)，對含有不同粗糙度節(jié)理巖石試樣進行了三軸壓縮試驗，該研究報告指出由于巖體中存在節(jié)理面，比完整巖塊強度有所減小，而且隨著巖體節(jié)理粗糙度JRC值的改變，巖石抗剪強度也隨之改變。具體的表現(xiàn)為巖體的抗壓強度隨著巖體節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC的增大而增大，相對應的巖石三軸抗壓強度也隨之變大。

張志強、郇久陽等人采用數(shù)值模擬的方法研究節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC與抗剪強度的關系，具體采用離散元軟件PFC建立巖石節(jié)理試樣模型，模擬中逐步提高法向應力對巖石節(jié)理試樣模型進行剪切，從而獲得粗糙度系數(shù)JRC與抗剪強度峰值的關系，并且研究不同JRC、不同法向應力條件下試樣裂紋的擴展規(guī)律。其實驗結(jié)果表明：使用計算機用離散元進行節(jié)理剪切數(shù)值模擬的試驗結(jié)果與物理試驗結(jié)果相吻合。同樣也得出與楊圣奇一樣的結(jié)果，巖體的抗剪強度峰值與JRC值有關，并且與之正相關。本研究采用了數(shù)值模擬進行巖體節(jié)理的粗糙度進行了研究，相較物理實驗可以減少風化，日曬等因素對巖石石塊的影響，還能準確地得出裂紋最先出現(xiàn)的位置為節(jié)理處及詳細的巖體破壞過程，為后續(xù)地分析帶來方便。

2 研究方法

研究方法主要包括以下三類：

①常規(guī)理論和物理試驗研究方法

對天然含節(jié)理的巖石直接進行理論和物理研究，有些學者認為只有現(xiàn)場試驗的方法才能正確描述巖體的力學性質(zhì)，這類方法的優(yōu)點是利用第一手資料，使得原始數(shù)據(jù)比較準確，并且研究起來比較方便，沒有干擾因素。

②借助模型材料研究

是使用砂漿、石膏等材料制作節(jié)理試樣模型，然后參考第一種研究方法研究不同JRC對節(jié)理抗剪強度峰值的影響，這種方法可以制作不用條件下的巖體試樣并且對原有巖體數(shù)據(jù)的還原性較高，基本能1：1還原現(xiàn)場試驗，并且能滿足研究者對各種情況下巖石抗剪強度的分析，適用性較強，適用范圍較廣。

③數(shù)值模擬

數(shù)值模擬就是使用計算機軟件模擬現(xiàn)實巖體破壞，從而獲得出巖體力學參數(shù)的研究方法。這是目前普遍應用的研究方法，通常采用有限元軟件ANSYS、離散元軟件UNDC、PFC等。這種方法可以有效控制實驗成本，不受自然環(huán)境的影響，縮短實驗前期準備時間，更加的經(jīng)濟和快捷，但是對于操作者要求較高，要能熟練的運用相應的軟件。

由于有時候?qū)ΜF(xiàn)場的情況不適合進行實驗，只能使用相應的模型進行代替實驗，相應的做法為第一步對礦山巖體進行勘查，獲得巖體節(jié)理的基本參數(shù)，再把數(shù)據(jù)結(jié)合整理好，利用整理好的數(shù)據(jù)做成模型，對模型進行力學實驗，獲得模型的力學參數(shù)，還可以利用計算機進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與模型結(jié)果進行數(shù)據(jù)對比，這種理論與實際相結(jié)合的研究方式考慮的比較全面，出現(xiàn)誤差的可能性也相對較少。

3 結(jié)論與展望

現(xiàn)階段對巖體節(jié)理粗糙度的研究處于高速發(fā)展階段，能夠通過不同的研究手段分析出巖體節(jié)理粗糙度對巖體抗剪強度的影響，并運用到工程實踐中，但這種研究的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)有一定的誤差，首先在進行勘察的時候由于根據(jù)主觀因素的影響，會使獲取的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)有一定的偏離值，其次模型研究和計算機數(shù)值模擬很難考慮到現(xiàn)場環(huán)境的影響，所以實驗獲取的數(shù)據(jù)是對原有情況的一個估算值。所以當下研究的重點是如何提高實驗的準確性，并且研究出能夠適用于各種狀況下各類巖體的粗糙度與其力學性質(zhì)的公式，這將為巖體工程建設帶來極大的便利，應用前景將十分廣泛。