裂隙岩体宏观力学参数确定方法研究

2013-04-09雅砻江流域水电开发有限公司四川成都610051

长江大学学报(自科版) 2013年34期

刘军（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都610051）

胡海浪（国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610041）

骆世威（国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川雅安625000）

岩体中由于包含了大量节理、裂隙等结构面，使得岩体有着不同的组合方式和结构形式，而这些不同的组合方式和结构直接导致了裂隙岩体的力学特性和破坏形式的改变，其中最直观的表现为岩体宏观力学参数变化［1－3］。下面，笔者对裂隙岩体宏观力学参数的确定方法进行了研究。

1 数值模拟等效计算法

图1 分级计算示意图

图2 数值模型加载方式示意图

裂隙岩体结构面分布众多、发育程度各异，这给有限元数值模型的建立和模拟计算带来极大困难，为此根据边坡岩石的类型及强度、岩石的风化程度、剪切破碎带、裂隙及断层等因素将边坡划分为不同的模拟区域，然后采用地质报告中各区域完整岩体与破碎带的力学参数作为数值模拟的基本参数，将几种不同的岩体和裂隙断层等组合在一起构成模拟试块，并对其进行地质力学参数进行反演计算，最终得到该区块岩体的宏观力学参数。分级计算示意图如图1所示。

模型边界约束条件如图2所示。在顶面施加垂直压力σ1，右侧面施加垂直压力σ2，其余面施加垂直向约束，形成ε3＝0的平面应变条件。模拟试件在给定的应力增量条件下，通过弹塑性有限元分析计算，可计算各方向上的应变增量，由此反演计算其相当某单一应力状态下材料的宏观力学参数（主要是变形参数，包括变形模量Em和泊松比μm）。在主应力空间中，弹性状态应力应变关系服从广义虎克定律［4］：

在平面应变状态下，Δε3＝0，计算模型在应力增量Δσ1和Δσ2的作用下，通过有限元程序计算可得到相应的Δε1、Δε2，进而根据式（1）可求出计算模型等效宏观力学参数μm、Em：

2 质量评价系统GSI法

质量评价系统GSI（地质标准评价）法由Hoek等于1974提出，经过不断完善推广后的Hoek－Brown屈服准则如下［5］：

表1 结构面特征评分标准

式中，σmax为岩体破坏时的最大主应力；σmin为岩体破坏时最小主应力；σci为组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度；mb为岩体的 Hoek－Brown常量；mi为组成岩体的完整岩块的Hoek－Brown常数；s、a 为取决于岩体特性的常数；D为岩体遭受开挖扰动（爆破破坏和应力松弛）程度的参数，0≤D≤1。

根据岩体结构面特征的评分标准（见表1），对SCR的取值主要考虑结构面的粗糙度Rr、风化程度Rw及充填物状况Rf，其计算公式如下：

由摩尔－库仑强度准则［6］，设φ为岩体的内摩擦角，c为粘聚力，则有：

亦即：

当估计大体积节理化岩体强度与力学参数时，可由该岩体所遵循的Hoek－Brown方程确定σmin的取值范围：

式中，σci为组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度。

就式（4）中σmin在式（11）的范围内取值，并用回归分析得到该岩体所遵循的Hoek－Brown准则的直线表示形式：

将式（10）与式（12）相对比可得：

由式（13）可反求出该岩体的内聚力c和内磨擦角φ，由式（4）可解出岩体抗拉强度（令σmax＝0），由式（12）可解出节理化岩体的抗压强度（令σmin＝0），而岩体的变形模量可由下式确定：

在回归计算中，k、b的计算公式为：

3 实例应用

某电站位于湖北省境内，由大坝、电站建筑物、溢洪道和放空隧洞等主要建筑物组成。溢洪道设计为岸边式，溢洪道边坡地质条件较为复杂，结构面众多，节理、裂隙及断层等结构面随机分布范围较广，因而建立数值模拟分析模型的难度较大。首先选取典型剖面1－1′。根据各地质剖面的具体情况划分5个计算区域（见图3），逐级进行反演分析，最终得到整个区域岩体宏观力学参数。

第1区块数值模拟模型如图4所示。根据上述模型，通过室内试验得到岩块和裂隙结构面初始力学参数（见表2）以及对应地应力条件下的各主轴方向位移（见图5），将上述数据代入式（2）和式（3），即可反算得到对应尺度区块的宏观力学参数，再将其代入下一级模型试块中重复上述步骤进行依次计算，最终可以得到整个区域的宏观力学参数（见表3）。

图3 工程地质剖面图

图4 第1区块数值模拟模型图

表2 宏观力学参数模型初始参数取值表

表4 利用不同方法计算各区块变形模量数据表

将利用数值模拟等效计算法和质量评价系统GSI法计算得到各区块变形模量E进行对比分析（见表4）。从表4可以看出，利用数值模拟等效计算法和质量评价系统GSI法计算得到的各区块变形模量参数略有差别，出现上述现象的原因如下：由于地质评价系统GSI法与评判人员的主观评判角度有关，这使得利用该方法计算得到的结果具有一定的随机性；运用数值模拟等效计算法时，根据完整岩块和结构面初始试验数据进行区域划分，并设置合理的边界条件来模拟该区域岩体真实地应力作用环境，再由弹性状态应力应变关系逆推得到不同尺度裂隙岩体等效变形参数，因而利用该方法不仅大大方便了数值模型的建立和计算，而且计算结果更加合理可靠。