边界应力对裂隙岩体力学性质的影响

边界应力(围压)对裂隙岩体的力学性质有一定的影响，即4.2.4节数值试验方案1、数值试验方案2和数值试验方案3中，初始边界应力σx、σy和σz的大小会影响裂隙岩体力学参数的数值试验结果。本节将结合一个算例对边界应力的影响进行分析。

取尺寸为10m×10m×10m的岩体模型，模型中含有两组结构面，一组产状为60°∠45°，尺寸为3m;另一组产状为240°∠60°，尺寸为2m。两组结构面各8条，共计16条，结构面的中心点在岩体模型内均匀随机分布。在3DEC中建立数值计算模型，岩块采用理想弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb破坏准则，结构面采用库仑滑动本构模型和Mohr-Coulomb破坏准则，岩块和结构面的力学参数如表4-1所示。采用三维离散元方法模拟三轴压缩试验(数值试验方案1)，在z方向匀速加压，x和y方向的边界应力分别取0MPa，10MPa，20MPa，30MPa和40MPa，研究裂隙岩体z方向抗压强度及变形模量随边界应力σx和σy的变化情况。

表4-2为不同边界应力条件下上述算例中裂隙岩体模型抗压强度和变形模量的计算结果。图4-5(a)和图4-6分别为算例岩体模型z方向抗压强度随x和y方向边界应力变化的三维曲面图和二维曲线图。结果表明，随着x和y方向边界应力的增大，z方向抗压强度逐渐增大，其变化幅度随着边界应力的增加而减小。对比图4-5(a)和图4-5(b)可知，对于算例中的岩体模型而言，x方向边界应力对z方向的抗压强度影响较大，变化幅度为87.1%～98.0%;y方向边界应力对z方向抗压强度影响相对较小，变化幅度为9.7%～21.0%。结合模型中结构面的几何分布特征进行分析可知，x方向边界应力和y方向边界应力的影响差异主要受岩体中结构面几何分布的影响，算例岩体中共分布有两组结构面，产状分别为60°∠45°和240°∠60°，两组结构面的倾向均偏向于x轴多于y轴(3DEC中定义y轴为北，x轴为东)，x方向边界应力的增加更易使结构面法向应力增加而促进结构面发生闭合，因此，x方向边界应力对该岩体模型z方向抗压强度的影响大于y方向边界应力。图4-5(b)和图4-7分别为算例岩体模型z方向变形模量随x和y方向边界应力变化的三维曲面图和二维曲线图。与抗压强度的变化规律类似，岩体z方向变形模量随着x和y方向边界应力的增加而增大，变化幅度随着边界应力的增大而略有减小，同时，x方向边界应力从0增加到40MPa时，z方向变形模量的变化幅度为3.7%～4.1%;y方向边界应力从0增加到40MPa时，z方向变形模量的变化幅度为1.2%～1.9%，可见x方向边界应力对z方向变形模量的影响大于y方向，与岩体中结构面产状分布规律一致。另外，对比抗压强度和变形模量的计算结果可知，本算例中，边界应力对抗压强度的影响很大，而对变形模量的影响相对较小。

表4-1　算例岩体模型中岩块和结构面力学参数取值

表4-2　算例岩体抗压强度和变形模量计算结果

图4-5　z方向抗压强度及变形模量与x和y方向边界应力的三维关系图

图4-6　z方向抗压强度与x和y方向边界应力的二维关系图

图4-7　z方向变形模量与x和y方向边界应力的二维关系图

通过上述裂隙岩体力学参数随边界应力的变化规律研究，可得出以下结论:

(1)裂隙岩体的抗压强度和变形模量均随边界应力的增加而增大，变化幅度随边界应力的增加而减小。

(2)不同方向边界应力的影响程度与岩体中结构面的几何分布特征有关。不同裂隙岩体中结构面分布规律不同，边界应力对裂隙岩体力学性质的影响程度也不尽相同。

上述研究表明，即使两个区域的岩体具有相同的岩性和结构面分布规律，若其所受的应力条件不同，其力学性质则会有所不同。边界应力影响裂隙岩体的力学性质，因此，边界应力也会对裂隙岩体力学性质的尺寸效应和各向异性特征产生影响。由于尺寸效应研究本身的复杂性，目前国内外所有文献中关于尺寸效应的研究均未考虑边界应力的影响，因此这个方向有待进一步的研究。本章4.4节工程实例中在进行裂隙岩体力学参数的尺寸效应研究时，边界应力按实际岩体深度处的自重应力取值，另外，由于影响裂隙岩体力学性质的因素较多且较为复杂，本书重点考虑裂隙岩体中的结构面几何分布特征对其各向异性特征的影响，故取岩体在各个方向的边界应力相等，以排除边界应力对力学参数与结构面张量关系研究结果的影响，详见第4.4.2节。