深部断续节理岩体中渗流对巷道稳定性影响的数值分析
作者：左宇军， 李术才， 朱万成， 张义平
作者单位：左宇军,张义平(贵州大学矿业学院，贵阳 550003 贵州大学贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵阳 550003)， 李术才(山东大学岩土与结构工程研究中心,济南 250061)，
朱万成(东北大学岩石破裂与失稳研究中心,沈阳 110006)
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龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/2215896504.html, 岩质边坡岩体节理结构面抗剪强度的确定方法 作者：刘远亮韩佳泳徐标 来源：《城市建设理论研究》2013年第31期 摘要：在岩质边坡地质勘察工作中，岩体节理结构面的抗剪强度是岩质边坡勘察要确定的重要参数，而节理结构面抗剪强度的确定一直是该领域的技术难题，本文将提出一种新的、操作性强的方法，利用抗圧试验求取节理结构面抗剪强度，并应用到实际边坡勘察工作中，实践证明，通过该方法确定的结构面抗剪强度更接近实际情况并更具有实用意义，而且操作、计算方便，对类似的边坡工程有一定参考价值。 关键词: 地质勘察；节理结构面；抗剪强度 中图分类号：U213.1+3文献标识码：A 引言 结构面是岩体中力学强度较弱的部位或岩性相对软弱的夹层所构成岩体的不连续面，包括了一切的地质分离面。不同的结构面，其力学性质不同、规模大小不一。节理是岩石中的裂隙，其两侧岩石没有明显的位移。地壳上部岩石中最广泛发育的一种断裂构造，而岩体节理结构面抗剪强度是岩质边坡地质勘察工作要确定的重要力学参数，也是影响边坡稳定性的重要因素之一，因为边坡岩体的破坏通常大多是沿结构面发生破坏的，符合―最弱环节‖原理。目前如何求取节理结构面抗剪强度一直是工程界的技术难题。 节理结构面抗剪强度常用的求取方法主要有以下3种：(1)根据试验(原位剪切试验或室内直剪试验)分析选取。(2) 按规范或估算法选取。规范主要有国标、水利及铁路等行业规范标准等。(3)利用极限平衡法或数值分析进行反演确定。 岩体节理结构面抗剪强度确定方法 本文提出一种新的方法，利用―抗圧试验求取节理结构面抗剪强度‖。 1、计算原理：在岩石单轴抗压强度试验中，有大量的试验块体在轴向应力作用下未产生抗压性碎裂破坏，而是沿着岩石的节理面滑动分离成二块（见图1），这类破坏模式计算的抗压强度并不是真正的岩石单轴抗压强度，其数值与典型碎裂破坏模式的抗压强度严重偏小，不宜参加抗压强度标准值的统计计算。而利用这类破坏模式的实验数据，可求得沿节理面滑动的抗剪强度，即节理结构面的抗剪强度。
岩体稳定性研究方向文献综述 长期以来，隧洞围岩稳定性研究一直是工程地质学者研究的重要课题，围岩稳定性评价是地下工程设计、施工以及维护中的一个重要环节。稳定性评价结果的正确是否直接影响着工程的安全性和经济合理性。作为岩体力学研究的重要内容，围岩稳定性评价经历了“经验判断—理论分析—数值计算”的发展过程[1]，,有关方法已在地下工程的建设中发挥了巨大的作用，但同时也对围岩稳定性评价方法，尤其是围岩破坏的判据，提出了更高的要求。因此，探索新的、实用的稳定性评价方法，是生产实践中提出的永恒的研究课题。通过对地下工程围岩稳定性的研究学习，首先介绍目前国内外对围岩稳定性评价方法的研究成果，接着对影响地下隧洞围岩稳定性的因素以及围岩的变形破坏模式进行了阐述，最后结合工程案例采用数值分析的方法对隧洞开挖围岩变形破坏模式进行了分析。 1 隧洞围岩稳定性分析方法 隧洞围岩的稳定性分析主要包括隧洞的整体稳定性分析和局部块体的稳定性分析，分析方法大致可归纳为工程地质类比法、解析法、和模拟试验法等。 1.1围岩整体稳定性评价 （1）解析法 解析法是指采用数学力学的计算取得闭合解的方法[28]，计算围岩中的应力分布状态及位移从而进行围岩稳定性评价[4]。对于规则的圆形断面和均质、各向同性的隧道围岩，解析解较为精确，参数也容易确定；张倬元、王士天、王兰生给出了均质、含有单一（或一组）软弱结构面围岩及顶拱围岩中简单结构块体稳定性的解析分析方法；蔡美峰等得出了特定形状巷道（如轴对称圆形巷道、一般圆巷道、椭圆巷道等）围岩应力状态的解析解。其他形状的洞室可通过复变函数法求取近似解。于学馥、刘怀恒应用复变函数对围岩应力状态及变形进行求解，得出了解析解。运用复变函数进行非圆形洞室分析的前提是获取洞室的映射函数，因此如何求取简单合理的映射函数成为近年来研究的一个热点，钱伯勤推导出单孔无限域应力函数的通式，王润富提出了一种保角映射法并编制了相应的微机程序，范广勤等应用三个绝对收敛级数相乘法求解非圆形洞室的外域映射函数，吕爱钟，提出了应用最优化技术求解任意截面形状巷道映射函数的新方法，朱大勇等提出了一种新的可以求解任意形状洞室映射函数的计算方法，并将其用于复杂形状洞室围岩应力的弹性解析分析[22]。解析方法可以解决的实际工程问题十分有限。但是，通过对解析方法及其结果的分析，往往可以获得一些规律性的认识，这是非常重要和有益的。 （2）工程地质类比法（围岩分类法） 经验类比法是大型地下洞室群围岩稳定性评价的重要方法之一，尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段，更能发挥其作用[8]。其中，围岩分类法简单、明了，从而成为被广泛使用的工程地质类比方法。国外的地下洞室围岩质量评价始于二十世纪，初期出现了普氏岩石分级法，随后，Terzaghi 根据阿尔卑斯山公路隧道支护施工的经验，从描述各种岩层的特征入手最早提出隧道围岩分级；随后，Lauffer 提出了隧道有效跨度的稳定时间这一概念，主要以毛洞稳定时间为指标进行分级；1969 年，Deer提出了RQD分类法，随后RQD 成为国内外广泛采用的RMR 分类法、Q 分类法等综合分类法的基本元素之一，因此得到广泛应用。1973年，Bieniawski 基于岩石单轴抗压强度、不连续面间距、RQD、不连续面条件、地下水条件等基本参数对岩体进行分类，提出了更为具体的岩体分类方法RMR 法。1974 年，Barton 等学者在分析研究大量的地下工程开挖实例的基础上，把工程要素与岩石质量指标统一起来，以节理组数、节理粗糙度系数、节理蚀变影响系数等为基本参数，提出了隧道指标方法Q 分类法[12]。1979年，国内学者谷德振等提出Z 系统分类法；1980 年王思敬等人
第25卷 第12期 岩石力学与工程学报 V ol.25 No.12 2006年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec .，2006 收稿日期：2005–12–21；修回日期：2006–03–06 基金项目：国家自然科学基金重点项目(50439030)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705) 作者简介：李海波(1969–)，男，博士，1988年毕业于郑州工学院水工专业，现任研究员，主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail ：hbli@https://www.doczj.com/doc/2215896504.html, 不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究 李海波，冯海鹏，刘 博 (中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071) 摘要：不同剪切速率作用下岩石节理强度特性是研究地震荷载作用下岩体结构响应和安全的基本参数，通过RMT –150C 电伺服试验机，利用人工浇铸的表面为锯齿状的混凝土岩石节理试样，研究不同剪切速率下各种岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征。试验结果发现：(1) 岩石节理面的峰值剪切强度随着剪切速率的增大而减小，减小幅度随着剪切速率的增大变小；(2) 岩石节理面的峰值剪切强度随着起伏角度的增大而增大；(3) 岩石节理面的峰值剪切强度随着法向应力的增大而增大，基本成线性关系。最后，基于试验的结果提出考虑不同剪切速率的岩石节理峰值强度模型。 关键词：岩石力学；岩石节理；剪切速率；起伏角度；峰值剪切强度 中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)12–2435–06 STUDY ON STRENGTH BEHA VIORS OF ROCK JOINTS UNDER DIFFERENT SHEARING DEFORMATION VELOCITIES LI Haibo ，FENG Haipeng ，LIU Bo (Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China ) Abstract ：Strength of rock joints under different shear deformation velocities is the basic information to assess the response and safety of rock structures under earthquake. By using the RMT –150C servo-test system ，artificial concrete joint samples with hammered surfaces have been employed to study the strength of rock joints under different shearing velocities. Based on the experimental results ，it can be found that the peak shear strength decreases with the increase of shear deformation velocity ；and that the decreasing rates decrease with the increment of shearing deformation velocity. It is also indicated that the peak shear strength of rock joints clearly increases with the increase of normal stress and undulation angles at different shear deformation velocities. Based on the experimental results ，a model to describe the peak strength of rock joints with shear deformation velocity and undulation angle is presented. Key words ：rock mechanics ；rock joints ；shearing deformation velocity ；undulation angle ；peak shear strength 1 引 言 岩石节理的强度和变形特征是分析地震荷载作用下岩体边坡及硐室安全和响应的基本参数。从荷载特征上看，地震既是动荷载又是往复荷载，因此， 在地震荷载作用下，岩石节理的强度和变形等力学特性一方面受往复荷载的影响，另一方面也受荷载速率影响。基于这一认识，国内外研究人员进行了一些探讨性的工作，主要集中在往复循环荷载作用下岩石节理力学特性的研究方面。J. C. Jaeger [1]和M. E. Plesha [2]等对新鲜岩石节理面进行循环剪切试验。
一、节理 （一）基本概念 1、节理：岩石受力作用形成的破裂面或裂纹，称为节理，它是破裂面两侧的岩种构造。 节理的产状也可用走向、倾向和倾角进行描述。 2、节理组和节理系：在同一时期，同一成因条件下形成的，彼此相互平行或近组；在同一构造应力作用下，形成有规律组合的节理组，叫节理系。 （二）节理分类 1、按节理的成因分类 节理按成因可分为原生节理、构造节理和表生节理。 (1)原生节理：指岩石形成过程形成的节理，如玄武岩的柱状节理 (2)构造节理：是岩石受地壳构造应力作用产生的，这类节理具有明显的方向性和对地下水的活动和工程建设的影响也较大。构造节理与褶皱、断层及区域性地质构它们常常相互伴生，是工程地质调查工作中的重点对象(相对于节理、表生节理)。 (3)表生节理：又称风化节理、非构造节理，是岩石受外动力地质作用(风、水、化作用产生的风化裂隙等，这类节理限在空间分布上常局限于地表浅部岩石中，对有较大的影响。 2、按力学性质进行分类 (1)张节理:在垂直于主张应力方向上发生张裂而形成的节理，叫张节理。张节理尤其在褶皱转折端等张拉应力集中的部位最发育，它主要有以下特征：裂口是张开的，剖面呈上宽下窄的楔形，常被后期物质或岩脉填充； 节理面粗糙不平，一般无滑动擦痕和磨擦镜面；
产状不稳定，沿其走向和倾向都延伸不远即行尖灭； 在砾岩或砂岩中发育的张节理常常绕过砾石、结核或粗砂粒，其张裂面明显凹凸张节理追踪X型剪节理发育呈锯齿状。 (2)剪节理：岩石受剪应力作用发生剪切破裂而形成的节理，叫剪节理，它一般夹角的平面上产生，且共轭出现，呈X状交叉，构成X型剪节理。它具有以下特征剪节理的裂口是闭合的，节理面平直而光滑，常见有滑动擦痕和磨光镜面； 剪节理的产状稳定，沿其走向和倾向可延伸很远； 在砾岩或砂岩中发育的剪节理常切砾石、砂粒、结核和岩脉，而不改变其方向； 剪节理的发育密度较大，节理间距小而且具有等间距性，在软弱薄层岩石中常常 张节理剪节理 3、按节理与岩层走向关系分类 (1)走向节理：节理延伸方向大致与岩层走向平行。 (2)倾向节理：节理延伸方向大致与岩层走向垂直。 (3)斜交节理：节理延伸方向与岩层走向斜交。 4、根据节理与褶皱轴的关系，可将节理分为： (1) 纵节理-节理走向与褶皱轴向平行 (2) 横节理-节理走向与褶皱轴向直交
岩体稳定性分析与评价 1 工程岩体的定义 在工程地质中，把工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体称为岩体。岩体是在内部的联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下，具有明显的不连续性。这是岩体的重要特点，使岩体结构的力学效应减弱和消失。使岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性[1]。 工程岩体是十分复杂的，它受到自然地质作用和人类活动的共同影响。工程岩体稳定性评价与利用一直是人们研究的热点话题，国内外相关方面的研究一直没有间断。工程岩体通常是指与人类活动有关的地下或地表岩体，如地面的斜坡边坡、岩石基础、水库岸坡、地下硐室围岩以及矿区岩体等。具体而言工程岩体具有以下四个方面的含义： （1）岩体中普遍存在的节理裂隙、断层、层里等软弱面不连续使大部分岩体失去了连续性而呈现出非线性大变形的力学形态。岩体的变形与强度特征在很多情况下都是由这些结构面控制的，加之岩体介质本身的非均质性，使得岩体的力学形态比土体复杂的多。 （2）由于各种条件的限制，工程岩体往往不可避免地处于高地应力、地下水、地震、地热等环境中，处于多因素控制的受力状态，使其变形与破坏规律更为复杂，经常涉及到固体力学—水力学—热力学场耦合作用。 （3）为满足工程建设要求，经常地对工程岩体进行各种扰动，如开挖、回填、加固处理等，从而使得工程岩体在时间和空间上呈现出复杂的性态特征。 （4）大多数工程岩体均为地表相对较浅的地壳岩体，经历各种地质营力作用，因人类工程活动表现为卸荷岩体力学行为和特征，不同于常规的加载岩体力学特征。
2工程岩体稳定性的影响因素及破坏形式 通常来讲，影响岩体稳定性的结构性因素主要是其自身的结构特征，其次是人类工程活动，最后是环境因素，包括地下水、地应力、地震、地热等。影响工程岩体稳定性的因素主要有以下几个方面： （1）岩块性质的影响包括岩石的坚硬程度、抗风化能力、抗软化能力、强度、组成、透水性等。 （2）岩层的构造与结构的影响，表现在节理裂隙的发育程度及其分布规律、结构面的胶结情况、软弱面和破碎带的分布与边坡的关系、下伏岩土界面的形态以及坡向坡脚等。 （3）水文地质条件的影响，包括地下水的埋藏条件、地下水的流动及动态变化等。 （4）地貌因素，如边坡的高度、坡度和形态等。 （5）风化作用的影响，主要体现为风化作用将减弱岩石的强度，改变地下水的动态。 （6）气候作用的影响，气候引起岩土风化速度、风化厚度以及岩石风化后的机械、化学变化，同时引起地下水、地表水作用的变化。 （7）地震作用除了使岩土体增加下滑力外，还常常引起孔隙水压力的增加和岩体的强度的降低；另外，开挖、填筑和堆载等人为因素同样可能造成工程岩体的失稳。 工程岩体的失稳往往是多种因素共同作用的结果，导致边坡失稳的因素可归结为两类：一是外界力的作用破坏了岩体原来的应力平衡状态，如边坡岩体的开挖及坡顶上作用外荷载、渗流、地震力等；另一类是边坡岩体的抗剪强度由于受外界各种因素的影响而降低。 岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化。宏观连续性无显著变化者称为变形。如果宏观连续性发生了显著变化，称为破坏。岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、结构，也与所承受的应力状态及其变化有关。
3.9. 隐式节理模型: 节理岩(Jointed Rock)模型 岩土材料在各方向上的特性值可能会不同，从而引起各方向在荷载作用下的反应不同，这样的特性叫做各向异性(anisotropic)。各向异性又分为弹性各向异性和塑性各向异性。弹性各向异性是指各方向使用不同的弹性刚度值，塑性各向异性是指像节理岩模型那样在各方向上使用不同的强度特性值。 节理岩模型是各向异性弹性-完全塑性(anisotropic elastic perfectly-plastic)模型，即同时具有弹性横观同性(transversely isotropic elastic)模型和塑性各向异性(anisotropic plastic)模型的特点。节理模型适合于模拟分层的岩石，该模型可模拟具有三个层方向和结合方向的完整岩。完整岩要输入五个参数和一个方向，是属于横观同性弹性材料，其各向异性特点表现在断层等现象上。假定主结合方向的剪切应力遵循库伦(Coulomb)准则，沿着该方向产生最大剪切应力时将产生塑性滑动(plastic sliding)。可以定义三个滑动方向(平面)的强度，第一个平面假定与弹性横观同性方向一致。各平面可具有不同的剪切刚度。 M ajor joint direction 图2.31 节理模型示意图 节理模型适合模拟具有连续的接缝或接缝的集合的岩石，接缝应平行且接缝中不能填充有断层粘土，接缝宽度与结构物的尺寸也要小很多。 节理模型的几个基本特性值如下： A. 完整岩的横观同性弹性特性: ,,,,x z xy zx xz E E G νν B. 三个方向上遵循库伦准则的剪切磨坏参数: ,i i c φ 3.9.1. 横观同性弹性材料刚度 节理模型中的横观同性特性与前面章节中介绍的正交异性材料相同。 3.9.2. 三个方向上的塑性反应 为了考察具有局部坐标系(n, s, t)的平面的塑性条件，需要先计算笛卡尔坐标下的应力。局部坐标应力包括正应力n σ和两个独立的剪切应力 s τ和t τ。 T i i σσ=T (2.96)
第29卷第7期岩石力学与工程学报V ol.29 No.7 节理在不同接触状态下的渗流特性 夏才初1，2，王伟1，2，3，曹诗定1，2，4 (1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海200092； 3. 闵行区建设工程安全质量监督站，上海201100； 4. 上海市政工程设计研究总院，上海200092) 摘要：将取自雅砻江水电站锦屏二期工程施工现场的白色大理岩，采用劈裂法制成张拉性人工节理试件，用TJXW–3D型岩石节理表面形貌仪测量节理的表面形貌，并采用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件，分析其用以表征节理表面形貌的节理面二维分形维数，以及用以表征组合形貌的节理内空腔的三维分形维数。对节理面进行错位，以改变其接触状态，然后进行不同接触状态下节理的渗流试验。将试验实测结果与传统的经验公式及各种修正公式的计算值进行比较，发现利用现有经验公式分析试验结果存在较大的偏差。通过对实测数据做进一步分析，发现表征节理表面形貌和组合形貌特征的分形维数也是影响节理渗透率的重要因素之一。综合考虑节理透过率以及表征节理形貌的分形维数等因素对节理渗透特性的影响，得到更为合理的节理渗流经验公式，该公式具有更广阔的应用前景。 关键词：岩石力学；表面形貌；组合形貌；节理；接触状态；错位；渗流；分形 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)07–1297–10 FLOW CHARACTERISTICS OF JOINTS UNDER DIFFERENT CONTACT CONDITIONS XIA Caichu1，2，W ANG Wei1，2，3，CAO Shiding1，2，4 (1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China；2. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；3. Construction Safety and Quality Supervision Station，Minhang Sub-station，Shanghai201100，China；4. Shanghai Municipal Engineering Design and Research General Institute，Shanghai200092，China) Abstract：Seepage characteristics of rock joints under different contact conditions are studied. Artificial tension rock joints are made of white marble samples taken from construction site of the Yalong River(Jinping II Project)，using cleaving method. Surface topographies of rock joints are measured by a three-dimensional TJXW–3D-typed portable rock surface topography measuring instrument. A self-programmed software is used to calculate parameters for rock joints，including not only 2D fractal dimension of surface topography for each single joint surface，but also 3D fractal dimension of composed topography for vacuum formed by two coupled joint surfaces. Then seepage experiments of the artificial rock joints are carried out. During the experiment，contact condition of rock joints varied by offsetting the relative position of the joints from 1 mm to 6.5 mm. Deficiency of traditional empirical formulas，such as Darcy s law，cubic flow law and its modified formula，and seepage formula in turbulent flow，are exposed by comparing experimental results with calculating ones from those traditional 收稿日期：2010–02–25；修回日期：2010–03–31 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40472142，50579088) 作者简介：夏才初(1963–)，男，博士，1984年毕业于中南大学采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学、地下结构等方面的教学与研究工作。E-mail：tjxiaccb@https://www.doczj.com/doc/2215896504.html,
前已述汲水对岩石强度影响： 膨胀、崩解、溶解 水→岩软化 渗透→水压水 对岩石强度有影响的是孔隙和裂隙中的水压力，统称为孔隙水压力，用p w表示。如果饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水，那么，孔隙或裂隙中的水就有孔隙压力，岩石固体颗粒承受的压力将相应的减少，强度则降低。 对岩石中有连接的孔隙（包括细微裂隙）系统，施加应力σ，当
有孔隙水压力p w时，岩石的有效应力为 σ—岩石总应力（MPa）；σ'—有效应力（MPa）； p w——孔隙水压力（MPa） 在有孔隙水压力作用时，可利用《岩石破坏准则》来分析岩石的稳定性。 1．莫尔摩伦准则
根据莫尔库伦强度理论，考虑有孔隙水压力p w 的作用，其岩石的抗剪强度为： ①?στtg c f ?'+= 或可见，由于p w 的存在，岩石的抗剪强度降低。 ②对于用主应力表示的莫尔库伦破坏准则，考虑p w 作用，则有 c R N +'='?σσ3 1，式中w p -='11σσ，w p -='33σσ 推出 由上式可解得p w ，即岩石从初始作用应力σ1和σ3达到岩石破坏
时所需施加的孔隙水压力： 亭定（Handin）砂岩实验结果，在p w为零时作一系列的实验，绘莫尔应力圆，得到p w=0时的包络线，即岩石强度曲线。 当施加主应力σ1、σ3时，（p w=0）岩石稳定（莫尔圆II），在此主应力下，增加p w直至破坏（莫尔圆I与包线相切）。 从上面分析可见，p w对岩体强度影响很大。在实际工程中，特别是坝址区，对某种岩石，当主应力σ1、σ3一定时，水库蓄水后，如
果有渗流，则p w 从0增加p w ′，当 w p '-1σ 和w p '-3σ的应力圆与包线相切或相交时，岩体将失稳。 2．格里菲思准则 如果把有效应力引入格里菲思破坏准则，用1σ'和3 σ'代替原式中的1σ 和3σ ,即 w p -='11σσ，w p -='33 σσ w p 4331>+σσ时，
节理密集带隧道开挖支护力学特性分析 摘要：在隧道开挖过程中，每次开挖进尺、开挖顺序、循环时间、地下水渗漏、岩性强度变化、爆破强弱等因素影响，直接威胁到隧道施工安全。本文针对冲沟地貌陡倾节理密集带隧道开挖支护，采用数值模拟方法模拟施工过程，进行隧道开挖支护力学特性研究，对此类地貌隧道施工具有非常重要的实际指导意义。 关键词：隧道开挖、节理密集带、数值模拟 Abstract：In the tunnel excavation process, the footage of each excavation, excavation sequence, cycle time, groundwater seepage, rock intensity, burst strength and other factors, a direct threat to the safety of tunnel construction. In this paper, steep gully landscape dense with joint tunnel excavation and support, using numerical simulation method to simulate the construction process, the mechanical properties of the tunnel excavation and support research on the type of tunnel construction landscape has a very important practical significance. Keyword：tunnel excavation, jointed intensive, numerical simulation 1 隧道开挖支护模型建立 现阶段隧道施工方法一般采用新奥法施工，针对冲沟地貌节理裂隙密集带围岩，采用台阶法分部开挖和锚喷支护方式【1】。即第一步开挖上半断面并及时支护，第二部开挖下半断面的左半部分并及时支护，第三部开挖下部断面的右半断面并及时支护，将二次支护作为安全储备。隧道开挖断面为城门型，开挖外轮廓直径为6.98m。考虑隧道不受边界条件的影响，横向以隧道中心线为中心取80m，垂直方向取实际隧道埋深为建模边界，支护参数如图1所示。 图1 隧道开挖支护模型参数 2 隧道开挖支护有限元分析 针对隧道区地貌、地质条件和开挖支护的施工过程的实际情况，对隧道地表为冲沟地貌并经过陡倾斜节理裂隙密集带开挖支护情况下，考虑放水孔排水和注浆两种情况下进行围岩力学特性分析【2】。大多数岩石为脆性材料，屈服准则采用Mohr-Coulomb破坏准则，支护材料采用弹性模型进行计算，节理密集带
HOEK -BROWN强度准则及其在破碎岩体强 度中的应用 摘要：岩石是有大量岩块和结构面组成的不均匀的各向异性材料。但是因为岩体内部结构的不可预见性和建模、计算能力的限制，很多情况下，只能将岩体作为均匀的宏观复合材料进行研究。如何准确定义破碎岩体的强度成了一个关系计算准确性和工程安全的重要问题。本文阐述了岩石力学中破碎岩体的主要强度理论。并对HOEK -BROWN强度理论的提出、发展、参数的选取与确定及实际应用进行了详细的探讨。 关键词：HOEK -BROWN强度准则，破碎岩体，岩体强度理论 1.研究岩体强度理论的重要性 人类生活和经济活动越来越离不开以岩体为对象的工程建设,例如水利水电工程、铁道交通工程、工业与民用建筑、隧道工程、矿山建筑与开发工程、国防工程、冶金化工、地震与防护工程等。总的来说,它们都需要以研究岩体的力学特征为基础。随着岩体工程的规模、数量及复杂性的增加,所涉及的岩体力学的问题也越来越复杂,以至于经常有重大岩体工程事故发生。美国的圣弗朗斯西重力坝、法国马尔帕塞大坝、意大利瓦扬水电站、加拿大亚当贝克水电站压力管道及日本关门铁路隧道等工程的失败或失事的惨痛教训,使人们意识必须加强岩体力学理论研究和分析,正确把握岩体在外荷载作用下的强度、变形及破坏规律。 2.研究破碎岩体强度的难点 在实际工程中遇到的均质岩体情况很少见,所碰到的岩体绝大多数均被各种结构面切割与破碎。节理是岩体中发育最广泛的一种结构面,在很多情况下节理面的力学性质很软弱。节理的存在严重的破坏了岩体的连续性和完整性,大大改
变了岩体的力学性质。节理岩体工程性质的特殊性主要表现在一下三个方面不连续。节理岩体是由不同规模、不同形态、不同成因、不同方向和不同次序的节理面以及被节理面围限而成的结构体共同组成的综合体,节理岩体在几何上和工程性质上都具有不连续性。由于发育在岩体中的节理面具有明显方向性,受节理面影响,节理岩体的工程性质呈现显著的各向异性。另外,实际工程岩体被节理切割程度的大小也与岩体工程规模有关,工程岩体结构也会随着含节理数的多少而发生变化,如图所示,所考虑的岩体范围越小,岩体中所含有的节理数就愈少,因而岩体的结构类型也就会有所不同。由于节理岩体工程性质的不连续、各向异性以及岩体组成物质的非均质,加之节理面在岩体不同部位发育程度和分布规律的差异,不同工程部位的岩体表现出不同的工程性质。节理在地壳上部岩石中具有广泛的分布,并且在岩体介质中呈现出强度低、易变形的特征。节理的发育常常为大坝、边坡和地下硐室等工程带来隐患,并导致工程岩体的失稳与破坏。地质工程中的岩体强度预测、岩坡稳定性分析、岩基承载力确定、地下硐室围岩稳定性评价及相关的动力学现象围岩垮塌或岩爆均直接或间接与岩体变形及强度特征有关。鉴于此,普遍认为节理岩体变形及强度特征的研究是一个富有挑战性的基础性课题,开展此方面的研究不仅非常必要,而且有着重要的实用价值和工程意义。节理的存在不仅大大改变岩体的力学性质,降低岩体的变形模量及强度参数,并使岩体呈现明显的各向异性。节理岩体变形具有各向异性的特征己为人们所熟知,竖向分布节理岩体的变形模量明显大于水平分布节理岩体的变形模量,这种区别主要在于变形机制不同。垂直节理面的压缩变形量主要是由岩块和节理面压密综合而成,平行节理面方向的压缩变形量主要是岩块和水平节理面的错动构成,节理岩体各方向的变形性质的差异由此而产生。与变形特征相类似,节理岩体也具有明显的强度各向异性特征。通常为了实际的需要将岩石近似地简化为各向同性体,基本上未考虑各向异性的性质,对一种岩石只给出一个确定的强度指标。在实际的岩石试验过程中发现,即使是同一地点取出的岩石,不同方向上的强度试验结果,往往也具有很大的离散性。因为本身就已经是各向异性的岩体,在后期构造改造的作用下,其各向异性表现得更加突出。参照图所示,对不含节理的完整岩体,可认为其在宏观上为均质、各向同性的材料对含有一组、二组或三组节理的岩体,其力学性质通常表现为各向异性若岩体被四组或四组以上的等规模、等间距及强度基
动载作用下岩石强度的极限分析 为进一步探索岩石力学中强度理论与变形破坏规律的内在联系,将岩石在动、静载荷作用下的理论模型与实验现象统一起来,使理论计算和室内实验更好的应用于工程实际。本文依次从准静载,冲击动载和爆炸动载三个方面,通过理论分析和实验室试验两个角度,以统一的极限分析方法开展了岩石强度和损伤特性的研究工作,主要得到以下结论:基于极限分析原理,推导了常规单轴压缩加载时,岩 石粘聚力C和内摩擦角φ与单轴压缩破坏形式之间的理论关系式。归纳总结出岩石在单轴压缩实验中出现的以剪切应力主导的三种典型变形破坏形式,分别为贯穿试件两端的主剪切面破坏形式、圆锥面加拉伸裂纹破坏形式和轴向拉伸劈裂破坏形式。通过计算岩石剪切破坏面面积,运用极限分析方法,得到了准静载下岩石单轴抗压强度的极限分析上限解:该式说明了岩石宏观破坏形式与抗压强度间的对应关系,其中岩石粘聚力C和内摩擦角φ是影响岩石单轴抗压强度的关键因素。 在实验室完成了取自安徽省张集煤矿的多种岩石单、三轴岩石力学性能实验,研究发现:对于每一种岩石试样,采用三种可能出现的单轴剪切破坏形式进行理 论计算,得到的结果与实验直接得到的岩石单轴抗压强度相比,二者平均误差约 为10%;对于某一组岩石试样的单轴压缩结果,总能找到相应的破裂形式与之对应,将实际产生的宏观破坏面积并入计算中,二者的误差稳定缩小至6%左右。基 于理论分析和实验室试验,建立了一种针对Mohr-Coulomb强度理论中粘聚力C 和内摩擦角φ取值的反演分析方法。既然准静载下岩石强度和变形破坏形式间有稳定的相关性,通过对单轴压缩结果的分类计算,可以列出两组以上包含岩石粘 聚力C和内摩擦角φ的二元一次方程,求解该二元一次方程组即可获得相应的未知量。再次,采用取自山西省贾郭煤矿和四川省某采石场的多组岩样进行实验验证,对于同一个取芯钻孔中的岩石试样,其物理力学性质十分接近,实验后形成的宏观破坏形式比较一致,岩石的单轴抗压强度也与宏观破坏形式有良好的对应关系。 以硅质砂岩为例,根据三轴实验结果得到的硅质砂岩粘聚力为38.34MPa,内 摩擦角为40°,采用极限分析法计算得到的硅质砂岩粘聚力为36.58MPa,内摩擦角为30.83。所得结果中二者粘聚力值近乎一致,而采用反演公式计算得到的内 摩擦角比三轴试验直接得到的值偏小约10°。分析原因认为:粘聚力代表了岩石
第11卷第11期中国水运V ol.11 N o.11 2011年11月Chi na W at er Trans port N ovem ber 2011 收稿日期：作者简介：张 澍，中交第二航务工程勘察设计院有限公司。 节理岩体变形特性研究方法初探 张 澍，李莎 （中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉430071） 摘 要：岩体变形特性的研究在岩石力学与工程中具有重要的理论和现实意义。由于岩体结构的复杂性，节理岩体 变形参数的确定一直困扰岩石力学与工程界的一大难题，文中在查阅大量国内外文献的基础上，对岩体变形参数的确定方法进行了探讨，从经验类比法、试验法、正分析和反分析法三个方面对岩体变形特性的研究方法进行了全面论述，总结了各种方法的优势及不足，为节理岩体变形特性的进一步研究奠定了基础。关键词：节理岩体；变形参数；经验类比法；试验法；正分析法；反分析法中图分类号：TU 45文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）11-0239-04 一、引言 岩体变形参数的确定对岩体稳定性模拟至关重要，它是国内外岩石力学界研究的前沿课题。在国外，Ba rton et al （1974）、Goodm an （1981）、Bien iaws ki （1978）、Hoek a n d B r own （1980）和Ka wa m ot o e t a l （1988）等学 者在大量试验、统计与反分析的基础上对工程岩体分类与参数估算进行了各有侧重的研究。在国内，孙均和冯紫良（1993）、于青春等（1995）、周创兵和於三大（1999）、陈波等（2001）、胡云进等（2001）、张有天（2003）、黄润秋等（2004）、唐辉明和张宜虎等（2006，2007）[1-3] 对 岩体变形模量从不同的角度做过系统的研究。 研究岩体变形模量的方法主要有：经验类比法、试验方法以及正分析和反分析法。试验资料确定岩体变形参数的方法最为直接但受到场地条件和经费条件的限制。经验类比法是根据工程岩体分级指标或弹性波测试成果直接估算岩体变形参数，这种方法较为简便易于实现。王亮清和唐辉明（2004） [4-5]、 张志刚和乔春生（2006）[6]、李维树等（2006）[7]对其进行了研究。但具体到每一项工程，这样的参数只能是一个概略的标准，更符合实际的应是结合工程具体情况、经过充分分析论证提出供设计应用的计算参数；正分析法是根据岩体结构特征，用模拟方法计算岩体变形参数，反分析法实际上是利用现场所测得的岩体位移等数值反求岩体力学参数。岩体等效连续介质法可以借助于岩体结构面网络模拟加以实现。较实用的三维网络模型2种：一种是Lon g J CS 在假定岩体中裂隙发育呈圆盘状的基础上提出的圆盘裂隙网络模型；另一种是Dersh owit z WS 的多边形裂隙网络模型。陈剑平等（1995） [8] 、周火明等（2001）[9]和贾洪彪等（2002）[10]已编制了不 同版本的岩体结构的三维网络模拟程序。唐辉明等（2007）[1]等提出了确定规则裂隙和不规则裂隙岩体等效变形参数的一种模型，该模型较好地反映了岩体等效变形参数的基本规律。 二、经验类比法1．经验估算法 经验估算法是利用已推导的经验公式对岩体力学参数进行计算取值，随着工程实践的不断运用，该方法得到不断的 完善。其显著优点是在估算过程中可以充分考虑地质和工程环境，而且费用低、速度快、简便易行，适合进行统计分析，较好的解决了试样的代表性问题。 1980年Hoek 根据Bien ia wsk i 提供的数据建立了岩体变形模量m E 与RMR 的关系式[11] 2100 m E R MR =（1） 1983年，Serafin 和Pereira 提供了新的数据，并建议采用以下关系式 10 40 10 25lg RMR m E Q ==（2） 1990年，Nich olson 和B ien iawsk i 利用试验室岩石块体的变形模量E i 与RMR 分类指标估计岩体变形模量[12] 2[0.00280.9exp( )]22.82 m i RM R E E RMR =+（3） 式中：i E 为岩块的变形模量。 1994年，Mitri et al.利用试验室岩块体的变形模量E i 与RMR 分类指标估计岩体变形模量[13] [0.5(1(cos ))] 100 m i RMR E E π×=（4） 1997年，Hoek an d Brown 基于GSI 指标适用于单轴抗压强度不大于100MPa 岩体变形模量的计算公式[14] 10 1 40 2(/100)10 GS I m E UCS =×（5） 2001年，Palms trom 和Sin gh 基于RMI 指标确定岩体变形模量的计算公式[15] 0.3755.6m E RMI =RMI >0.1 （6）0.4 7m E RMI =1 第三章3水对岩石强度的影响 五、水对岩石强度的影响 前已述汲水对岩石强度影响： 膨胀、崩解、溶解 水→岩软化 渗透→水压水 对岩石强度有影响的是孔隙和裂隙中的水压力，统称为孔隙水压力，用p w表示。如果饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水，那么，孔隙或裂隙中的水就有孔隙压力，岩石固体颗粒承受的压力将相应的减少，强度则降低。 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 对岩石中有连接的孔隙（包括细微裂隙）系统，施加应力σ，当有孔隙水压力p w时，岩石的有效应力为 σ—岩石总应力（MPa）；σ'—有效应力（MPa）； p w——孔隙水压力（MPa） 在有孔隙水压力作用时，可利用《岩石破坏准则》来分析岩石的稳定性。 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 1．莫尔摩伦准则 根据莫尔库伦强度理论，考虑有孔隙水压力p w 的作用，其岩石的抗剪强度为： ①?στtg c f ?'+= 或 可见，由于p w 的存在，岩石的抗剪强度降低。 ②对于用主应力表示的莫尔库伦破坏准则，考虑p w 作用，则有 c R N +'='?σσ3 1，式中w p -='11σσ，w p -='33σσ 推出 由上式可解得p w，即岩石从初始作用应力σ1和σ3达到岩石破坏时所需施加的孔隙水压力： 亭定（Handin 验结果，在p w 得到p w=0 石强度曲线。 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 当施加主应力σ1、σ3时，（p w =0）岩石稳定（莫尔圆II ），在此主应力下，增加p w 直至破坏（莫尔圆I 与包线相切）。 从上面分析可见，p w 对岩体强度影响很大。在实际工程中，特别是坝址区，对某种岩石，当主应力σ1、σ3一定时，水库蓄水后， 如果有渗流，则p w 从0增加p w ′，当 w p '-1σ 和w p '-3σ的应力圆与 包线相切或相交时，岩体将失稳。 幻灯片1 第四节：岩体的稳定性分析 一、岩体稳定性与区域稳定性的关系 区域稳定性的主要控制因素，也制约岩体的稳定性。 1)地壳板块的相对运动的强弱导致构造变动和产生高构造应力，从大范围控制了区域地层和岩体变形、位移或失稳。 2)活动性深大断裂活动（水平或垂直位移）引起区域地壳及其表层发生水平或升降运动，可引起位于断裂带的岩体变位或失稳。 3)地震活动在我国有些地区十分强烈，常引起大范围的构筑物的失稳和破坏。 幻灯片2 二、岩体破坏类型分析 1.岩体失稳的主要影响因素 ①受区域地壳稳定性控制。 ②受岩体的结构特征、变形特征、强度特性、水稳性等控制。 ③失稳的边界条件：岩体失稳要有一定的边界条件，即存在临空面和结构面组成的分离体。 ④荷载的类型、大小和方向决定了岩体的受力状态。 ⑤工程类别对岩体失稳方式有重要影响。 幻灯片3 2. 岩体破坏类型分析 ①当区域稳定性为相对稳定，工程岩体条件较好时，岩体失稳破坏的类型取决于边界条件、工程类型及工程荷载性质的组合特点，岩体失稳破坏的方式往往以剪切滑移方式为主。 ②当区域稳定性为相对活动，工程的场地条件较好时 ③区域环境和工程场地均处于突出的高水平构造应力状态时 ④当区域相对稳定，岩体抗压强度较高，不具备滑移的边界条件，地面建筑物承受强大的风荷载时，可能发生张拉破坏导致建筑物倾倒。 幻灯片4 ⑤区域相对稳定，工程场地为河流之滨，岩体本身条件较差，在建筑物荷载的作用下，建筑持力层将发生过大的压缩沉陷变形，与其侧向膨胀变形相对应的侧向压力将使岸坡前持力层发生压缩破坏，导致建筑物向河中倾覆，或沿可能的滑动面滑动。 幻灯片5 3. 岩体稳定分析 国内外应用于岩体稳定性分析的方法有： 地质分析类比法 岩体结构分析与计算法 岩体稳定性分类法 数值模拟计算法 地质模拟试验法等。第三章 3 水对岩石强度的影响讲解学习
岩体的稳定性分析
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