裂隙岩体力学参数研究

裂隙岩体力学参数的合理确定对于保证岩石工程的安全以及相关设计的经济合理起着至关重要的作用。裂隙岩体力学参数与很多因素有关，如岩块和结构面的力学性质、结构面的几何分布情况、岩体的现场应力条件、水文地质条件等。目前，裂隙岩体力学参数的确定方法主要有试验法、经验关系法、解析法和数值试验法。

1.2.3.1试验法

试验法包括室内试验法和原位试验法。室内试验法可用于确定含有微节理的小尺寸试件的力学参数，由于这些试件不能包含现场实际存在的结构面组合，因而其试验结果往往与实际岩体力学参数有较大差异。原位试验法可进行大尺寸岩体试验，Bieniawski(1978)和Heuze(1980)基于原位试验法对岩体强度和变形参数进行了研究。结果表明，岩体力学参数存在尺寸效应，这种尺寸效应依赖于测试岩体中的结构面分布情况，但在早期的研究中，没有在试验前测量试样岩体的结构面几何分布特征，因而只能从定性的角度分析岩体力学参数与岩体尺寸的关系。为了更加准确地研究裂隙岩体力学参数的变化规律，应利用一系列不同尺寸并包含不同节理组合的试样开展力学试验，但是这种类型的试验无法在室内完成，而原位试验又耗时耗力且费用昂贵。因此，很多学者在室内进行相似材料模型试验(John，1970;Brown，1970;Ladanyi＆Archambault，1970;Einstein＆Hirschfeld，1973;Chappel，1974;Heuze，1980;Jing等，1992;朱维申和何满超，1995;Yang等，1998;McDermott等，2003)，研究裂隙岩体的力学性质，这种方法能够很好地控制岩体结构，进而得到岩体力学参数与岩体结构之间的关系。

1.2.3.2　经验关系法

经验关系法是通过建立岩体力学参数与岩体分类指标之间的经验关系来估算岩体强度和变形参数。很多学者对裂隙岩体强度参数的经验估算法进行了研究。如Hoek＆Brown (1980，1983)提出了Hoek-Brown经验强度准则，并给出了经验参数m、s的取值方法，1988年又通过研究提出了修正后的m、s值;Priest＆Brown(1983)首次建立RMR指标与岩体经验参数m、s的统计关系;Hoek(1988)对其略作修改，得到了目前广为应用的经验公式;Bieniawski(1976)将RMR值与Q值联系起来，通过建立两者的经验关系得到用Q指标估计经验参数m、s的方法;Palmstrom(1996)提出基于RMI的岩体分类方法，定义了节理状态参数JP，并分别给出了扰动岩体和未扰动岩体的经验参数m、s与节理状态参数JP的关系表达式;宋建波(2002)在其专著中分析了经验参数m、s对岩体强度的影响;Cai等(2004)提出了利用GSI指标估算岩体强度参数的方法，并于2007年将上述方法扩展到残余强度参数的估算中;Dinc等(2010)提出了一种考虑岩块性质对岩体强度折减系数影响的岩体强度参数经验估算方法。同样裂隙岩体变形参数的经验估算方法研究也得到了学者们的关注。如:Bieniawski(1973)建立了岩体分类指标与岩体变形参数的经验关系;Hoek (1980)、Nicholson＆Bieniawski(1990)、Mitri等(1994)先后对岩体变形模量与RMR分类指标之间的经验关系进行了研究;Palmstrom(1996)提出了基于RMI指标估算岩体变形模量的表达式;Hoek＆Brown(1997)基于GSI指标提出了适用于单轴抗压强度不大于100MPa的岩体变形模量估算公式;Barton(2002)将单轴抗压强度引入岩体变形模量的估算公式;Kayabasi等(2003)推导了利用岩块弹性模量(Ei)、RQD和风化系数(WD)三个参数估算岩体变形模量的经验公式，随后Gokceoglu等(2003)引入单轴抗压强度对该公式进行修正，得到了改进的裂隙岩体变形模量估算公式;李同录等(2004)从损伤力学角度出发，建立了裂隙岩体等效变形参数与几何损伤参数之间的关系;Zhang和Einstein (2004)提出了通过RQD与岩块弹性模量估算岩体变形模量的方法。经验方法是在工程实际中确定岩体力学参数最为常用的方法，它能综合考虑影响裂隙岩体强度及变形性质的各种因素，是在长期工程实践的基础上逐渐总结积累所取得的经验成果。

1.2.3.3　解析法

解析法将裂隙岩体视为岩块和结构面的组合，并假设裂隙岩体的力学行为是岩块和结构面两个部分力学行为的叠加，在此基础上推导出岩体的整体强度或变形参数的数学表达式。解析法的研究一直受到学者们的关注，国外Salmon(1968)、Singh(1973)、Morland (1976)、Amadei＆Goodman(1981)、Gerrard(1982)、Fossum(1985)、Hu＆Huang (1993)对基于解析法的岩体力学参数确定方法进行了探讨。国内徐光黎(1991)根据等效应变原理，利用解析法建立节理应力应变本构方程，推导出岩体变形模量随空间方位变化的预测方程;朱维申和王平(1992)将工程范围的规则裂隙岩体看作是由各向同性的岩石单元与等效各向异性的节理岩石单元构成的统一体，在深入分析节理岩石单元的变形与强度特性的基础上，详细推导了等效变形与等效强度的基本公式，提出了一种等效连续模型;张志强(2009)基于变形等效原理和裂隙岩体细观变形特征，分别推导出含单组和多组非贯通裂隙岩体的变形参数表达式，研究了岩体变形模量、泊松比、剪切模量等变形参数随岩体裂隙连通率、裂隙倾角、裂隙厚度率的变化规律。

1.2.3.4　数值试验法

数值试验法是近年来发展起来的确定裂隙岩体力学参数的一种有效途径。该方法的基本思路为:首先建立岩体结构模型，在考虑岩块和结构面本构模型的基础上，利用数值方法在模型上施加荷载来模拟力学试验的过程，以此来确定裂隙岩体的力学参数。数值试验法的优点在于:①允许在岩体中按照实际结构面的分布情况建立岩体结构模型;②能够考虑节理之间以及节理与岩块之间的相互作用;③可以方便地模拟原位试验无法达到的大尺度岩体试验，与现场原位试验相比具有方便高效、经济实用的优点。周维垣和杨延毅(1992)基于节理裂隙的野外勘探资料建立岩体的损伤断裂模型，并利用二维有限元方法模拟力学试验，获得应力-应变全过程曲线和岩体变形模量及抗剪强度参数;朱维申和王平(1992)以规则裂隙岩体为研究对象，提出了一种等效连续模型，通过非线性有限元数值试验法完成了裂隙岩体力学特性的模拟;李建林(1997)利用三维有限元法进行数值试验，研究了三峡工程永久船闸高边坡岩体在卸荷应力状态下的宏观力学参数;何满潮等(2001)根据室内完整岩块试验参数，结合野外工程岩体结构特点进行计算机数值模拟试验，进而确定工程岩体的力学参数;陈伟忠等(2008)根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面的力学特征试验成果，确定岩块和结构面的本构模型，利用数值试验法研究了岩体的宏观力学参数;范雷(2009)在其博士论文中利用二维离散元UDEC进行数值试验，分别研究了层状岩体结构、双组贯通裂隙岩体结构和耦合随机分布三种类型的裂隙砂岩岩体的力学参数;胡波(2010)在其博士论文中分别采用“基于现场地质测绘的离散元”和“基于高清晰数码成像识别技术的RFPA”两种岩体数值试验方法，对锦屏一级水电站和白鹤滩水电站坝址区岩体的数值试验参数进行了研究。离散单元法是一种非连续介质数值方法，它能考虑岩石块体和结构面之间的相互作用，非常适合用来计算复杂裂隙岩体的力学行为，目前较为成熟的离散元商业软件有UDEC和3DEC，UDEC和3DEC中节理建模的条件是将岩体模型划分为若干二维多边形或者三维多面体，对于贯通节理而言，这一条件很容易满足，而非贯通节理的建模却很难实现。因此，非贯通节理的建模问题成为人们应用UDEC和3DEC解决岩石力学问题的“瓶颈”。有些学者利用UDEC进行岩体力学参数的数值试验研究，但研究仅限于含有贯通节理的岩体，然而非贯通节理在自然界是广泛存在的。为了解决这一问题，引入“假想结构面”的概念，“假想结构面”是由Kulatilake等(1992)提出的，是力学性质与完整岩块的力学性质一致的结构面。在UDEC或3DEC中设置“假想结构面”，可以保证将岩体模型划分为若干二维多边形或三维多面体，可解决非贯通节理的建模问题。本书后文将采用该方法建立岩体结构模型并基于三维离散元方法开展裂隙岩体力学参数研究。