卸荷巖體的尺寸效應研究

1、第 22卷 第 12期巖石力學與工程學報 22(12:203220362003年 12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec , 20032002年 6月 17日收到初稿, 2002年 8月 19日收到修改稿。 * 國家自然科學基金 (59649008資助項目。作者 李建林 簡介:男, 42歲,博士,現為三峽大學“三峽學者”特聘教授、博士生導師,主要從事巖土工程和水工結構工程專業(yè)的教學與科研工作。 E-mail :LJL。卸荷巖體的尺寸效應研究 *李建林 王樂華(三峽大學 宜昌 443002摘要 討論了巖體尺寸效應研究的現

2、狀。根據三峽工程永久船閘高邊坡巖體的物理仿真卸荷試驗,研究了卸荷巖 體的尺寸效應問題,即應力 -應變關系、抗壓強度、抗拉強度、變形模量、泊松比、各向異性等物理特性,得到了 幾點有意義的結論,并推薦了相應的力學參數。 關鍵詞 巖石力學,卸荷巖體,尺寸效應,力學參數分類號 TU 452 文獻標識碼 A 文章編號 1000-6915(200312-2032-05STUDY ON SIZE EFFECT OF UNLOADED ROCK MASSLi Jianlin, Wang Lehua(China Three Gorges University, Yichang 443002 China Abst

3、ract According to the characteristics of high slope rock mass of the permanent ship-lock in the Three Gorges Project, some typical rock mass is chosen for physical simulation. The size of unloaded specimen is 0.25 m×0.25 m×0.25 m, and the corresponding actual sizes are 0.75 m×0.75 m&#

4、215;0.75 m, 2.25 m×2.25 m×2.25 m, 6.75 m ×6.75 m×6.75 m, and 20.25 m×20.25 m×20.25 m. The problems of size effect of unloaded rock mass, i.e. stress-strain relation, the compressive strength, the deformation modulus (compressive and tensile, the Poissons ratio , and the

5、 anisotropic characteristics, are studied. Some significant conclusions are put forward, and the mechanical parameters are suggested to consider size effect. Key words rock mechanics , unloaded rock mass, size effect, mechanical parameter1 引 言現今巖體是歷史上經過多次地質構造作用后的 殘余巖體,巖體中包括有大小不等、方向不同、性 質各異的節(jié)理和裂隙,且它具

6、有多相性,同時賦存 于地應力環(huán)境中。工程實踐中已有不少學者已認識 到選擇不同尺寸的巖體試件進行試驗時,其強度和 變形有相當的差別。如文 1介紹, Rocka 和 Dasilv 于 1970年, Shroeder 于 1974年, Bieniawski 于 1979年在進行巖體的現場原位試驗時,就發(fā)現了這個問 題,認識到原位試驗結果的分散性很大程度上是尺寸效應的原故。文 2的研究表明,當巖體試樣尺寸 大于三倍典型節(jié)理跡長時,其試驗的相對誤差才可 接受。因此,如何相對準確地估計巖體的強度和變 形參數,對于實際工程的設計和施工,以及準確地 估計巖體工程的變形和穩(wěn)定都是十分重要的。文 2的研究同時也表

7、明,在實踐中,如何做到 三倍于節(jié)理跡長的原位試驗,無論是選點、還是試 驗方法或設備上,都是難以實現的。為此,考慮到 如此大的現場原位試驗的困難,人們試圖利用模型 試驗的方法來研究巖體的力學參數 3,如 Muller 和 Pacher(1965, Brown(1971, Einstein(1974和周維 垣 (1988年 、 朱可善 (1989和朱維申 (1994年 、 潘一第 22卷 第 12期 李建林等 . 卸荷巖體的尺寸效應研究 2033 山和魏建明等 (2002年 4, 5。這些試驗一般是建立在試件加載破壞的基礎之上的,這對傳統巖體力學 參數的選取和確定, 起到了很好的促進作用。 但是,

8、 由于工程實踐中, 常常會遇到一些開挖巖體的工程, 這種開挖會導致巖體的卸荷,確定這些卸荷巖體的 強度和變形參數,首要的問題之一是必須掌握這些 卸荷巖體的尺寸效應問題。只有這樣,才能準確地 選取巖體力學參數。因此,本文根據巖體試件的三 軸卸荷試驗,研究了卸荷巖體的尺寸效應問題。2 試驗描述作者以三峽工程永久船閘陡高邊坡為對象,以 其地質條件和巖體結構、地應力、巖體開挖卸荷為 背景,作為國家“八五”重點科技攻關項目、國家 自然科學基金項目和國家電力公司重大項目,運用 物理仿真的模擬試驗方法研究了巖體卸荷的力學特 性和尺寸效應問題。試驗運用的是巖體模擬試驗相似理論與技術, 試驗的相似關系有如下幾個

9、方面:(1 幾何相似, (2 重力相似, (3 材料的力學性能相似, (4 巖體的結 構 (結構面 相似, (5 邊界力相似, (6 開挖過程模 擬的相似。然后根據試驗結果的相似關系,推算出 巖體的各種力學關系。2.1試件尺寸及范圍試驗中采用同樣尺寸的試件,以同一地域,反 映不同尺度范圍的巖體,如圖 1所示,以考慮巖體 的尺寸效應。試件是根據三軸試驗機的三軸室尺寸大小來確 定的,試件尺寸為 250 mm×250 mm×250 mm。為 盡可能模擬現場較大范圍的巖體及其包含的結構 面,試件的幾何比尺選擇為 =LC 3, 9, 27, 81。其中 =LC 3是模擬巖塊,其余均為

10、巖體,相應于巖體 的實際范圍是:A :0.750 m×0.750 m×0.750 m;B :2.25 m×2.25 m×2.25 m; 圖 1 巖體試驗的尺寸效應Fig.1 Size effect of rock mass testC :6.75 m×6.75 m×6.75 m;D :20.25 m×20.25 m×20.25 m。2.2材料配比試驗中采用地質力學模型材料,試驗材料由重 晶石粉、鐵粉、石膏、水等混合而成。重晶石粉和 鐵粉為加重料,石膏作為膠結劑,水作為拌和劑。 材料的容重相似比為C 1。所選材料的配

11、比及其 力學參數如表 1所示。2.3試件設計三峽工程永久船閘區(qū)巖體節(jié)理裂隙根據其發(fā)育 程度按走向主要可分為 NEE 組、 NNE-NE 組、 NNW-NW 組和 NWW 組等 4組,陡傾角節(jié)理占 74.1%。上述 4組結構面與船閘軸線 (稱為 x 向 相垂直 的水平卸荷方向 (垂直于開挖邊坡的水平方向, 稱為 y 向 的夾角分別為 NEE 組:52° NNE-NE 組:8° NNW-NW 組:38° NWW 組:82°。根據文 4的結構面分析, 由于 NWW 向結構面 與 y 向的交角比較大 (接近垂直于卸荷方向 ,當沿 y 向卸荷時,極易引發(fā)裂縫的擴展

12、。其次是 NEE 組。 相對而言, NNE-NE 組和 NNW-NW 組與 y 向的交 角小,卸荷時不大敏感。因此,研究巖體的卸荷問 題時,考慮較為敏感的結構面 NWW 向和 NEE 向, 這兩組結構面,直接影響到巖體力學特性及巖體卸 荷的力學特性。兩組結構面的設計如下:表 1 四種地質力學模型材料配比及力學參數Table 1 Material mix ratio and mechanic parameters of four kinds of geomechanical model配比編號重晶石粉 鐵粉 石膏 水 外加劑 (水泥 重度 /kN·m -3抗壓強度 /MPa 彈模 /G

13、Pa 備注 A 3.17 2.54 1 2 24.5 36.67 24.0適用于 C L = 3 B 2.43 2.43 1.00 1 28.9 15.72 2.6適用于 C L = 9C 2.39 2.39 0.48 1 30.2 5.50 1.2 適用于 C L = 27D 4.44 2.22 0.67 1 28.1 1.88 0.4 適用于 C L = 81 2034 巖石力學與工程學報 2003年NWW 向:走向 282°, 傾角 73°, 間距 2 m, 連 通率 50%,與 y 軸交角 82° 。 NEE 向:走向 73°,傾角 73

14、6;,間距 2 m,連通 率 50%,與 y 軸交角 52°。結構面設計如圖 2所示。 圖 2 結構面設計 Fig.2 Design of structural plane2.4 試驗加、卸載選擇三峽工程永久船閘邊坡的閘室直立墻段為 代表墻段,此區(qū)域巖體初始地應力 x (閘軸向 、y (卸荷方向 和 z (垂直方向 分別為 4, 9和 3.6MPa 5。 試驗中按不同相似關系進行設計, 如 =L C 27時,試驗設計值為 0.15, 0.33, 0.13 MPa。即首先 將地應力 x , y , z 分別加至 0.15, 0.33, 0.13 MPa ,然后維持 x 和 z 不變;

15、y 方向卸荷,荷載 分 6級卸完,并且卸荷至零后,繼續(xù)施加拉應力至 巖體破壞。試驗是在專門為巖體卸荷試驗而設計的三軸機 上進行的,其中一個方向上可實現拉應力,它是通 過試件的兩端面采用高強粘結劑與試驗機的連接件 粘結來實現的 4。3 試驗結果及其分析3.1 不同尺寸條件下巖體試件的應力 -應變關系通過試驗,得到了不同尺寸范圍巖體試件卸荷 的應力 -應變關系曲線。 為便于分析與比較, 將各種 尺寸巖體試件卸荷的應力應變關系繪于圖 3中。圖 中 A , B , C , D 分別對應于相似關系為 3, 9, 27, 81的試件,試驗結果經相似關系轉換到原型。從圖中可以清楚地看出,當試件的模擬范圍較

16、小時,如 =L C 3(A 組,相當于巖塊試件 ,試件卸荷圖 3 不同幾何相似尺度下的卸荷曲線 Fig.3 Unloading curves for different similarity sizes過程的應力 -應變關系曲線的曲率比較小;曲線較陡,也就是試件卸荷過程中的塑性變形量較小,破 壞時的拉應變也相對較小;當試件的模擬范圍增加 時,如 =L C 9(B 組,試件含有結構面 ,試件卸荷過 程的應力 -應變關系曲線顯然不同。當荷載較小時, 其應力 -應變關系比較接近于 A 組試件。 隨著卸荷量 增加,應力 -應變關系偏離 A 組試件的曲線逐步加 大。這說明試件中有結構面時,對卸荷作用的敏

17、感 性亦增加,原因在于卸荷過程中由于結構面的放松、 起裂與擴展而產生附加的塑性變形。試件破壞時其 拉應力較 A 組小,但拉應變較大;當試件的模擬范 圍進一步加大, 如 =L C 27時, C 組試件內含結構面 數目增加, 包含有大的或薄弱的結構面可能性加大, 試驗對卸荷的敏感性增強,卸荷過程產生更大的附 加塑性變形,曲率加大,曲線變緩,與 A 組試件偏 離更遠。但當試件的模擬范圍達到 20 m以上時 (D 組,=L C 81 ,此時, D 組曲線與 C 組曲線的偏離程度 明顯小于 C 組曲線與 B 組曲線的偏離程度。 這說明, 當試件的模擬范圍大于 6 m以上時,卸荷過程的應 力 -應變關系比

18、較接近, 也就是說巖體試件達到一定 尺寸范圍時,其尺寸效應即基本趨于穩(wěn)定。 3.2 抗壓強度與尺寸的關系抗壓強度是巖體力學研究中的一個十分重要的 力學指標?？箟簭姸入S巖體尺寸范圍的變化而變化, 根據不同尺寸巖體的模擬試驗結果如圖 4所示。通 過圖 4可以看出,抗壓強度隨巖體尺寸的變化而變 化。當巖體尺寸比較小時,巖體的抗壓強度較高; 當巖體的尺寸較大時,則其抗壓強度隨之減小。這 表明,當巖體隨著尺寸的加大,巖體內包含的結構第 22卷 第 12期 李建林等 . 卸荷巖體的尺寸效應研究 2035 面或薄弱環(huán)節(jié)較多,由于這些節(jié)理裂隙的存在,極 大程度上降低了巖體的強度。 圖 4 抗壓強度與尺寸的關系

19、Fig.4 Relation between compressive strength and size當巖體尺寸 L >6.75 m時 (=L C 27 ,其抗壓強 度逐漸趨于穩(wěn)定,此時,巖體的抗壓強度是未含結 構面抗強度的 60%左右。 3.3 抗拉強度與尺寸的關系巖體的抗拉能力較弱,一般為抗壓強度的 10%左右?？估瓘姸纫彩菐r體穩(wěn)定分析中的一個非常重 要的力學參數, 它直接影響到巖體數值分析的結果。 試驗中,巖體試件的抗拉強度隨試件的模擬范圍變 化而變化,試驗結果如圖 5所示。 圖 5 抗拉強度與尺寸的關系Fig.5 Relation between tensile strengt

20、h and size從圖 5可以看出,試件的幾何比尺 (模擬范圍 小時, 巖體的抗拉強度高。 最高為巖塊的抗拉強度, 其值為 7.6 MPa(實際巖石試件, 圓柱形 54 mm; 當 相似關系 =L C 3時 (模擬巖塊試件比實際巖石試件 大數倍 , 抗拉強度降為 4.8 MPa; 當相似關系 =L C 9時,抗拉強度下降為 2.6 MPa,降約 40%;當相似 關系 =L C 27時,抗拉強度下降為 1.4 MPa,降約 75%; 當相似關系 =L C 81時, 抗拉強度為 1.3 MPa, 降低約 85%。試驗表明,隨著巖體尺寸的加大,巖 體的抗拉強度逐步降低, 尤其是對含有裂縫的試件,

21、對卸荷十分敏感, 抗拉強度降低速度更快。 當 L C >27時 (巖體尺寸 L >6.75 m時, 巖體抗拉強度的變化 基本趨向穩(wěn)定。 當 L C >81時 (巖體尺寸 L >20.25 m時,巖體抗拉強度趨于穩(wěn)定。此時的抗拉強度 =L R 1.3 MPa。3.4 變形模量隨尺寸的變化巖體的變形模量有受壓變形模量、受拉變形模 量、卸荷過程的變形模量等幾種?，F將各種巖體尺 寸條件的變形模量列于表 2中。表 2 變形模量隨尺寸的變化Table 2 Variation of deformation modulus with size巖體尺寸 /m 受壓變形模量 /GPa受拉變

22、形模量/GPa初始卸荷變 形模量 /GPa0.75×0.75×0.75 50 6 35 2.25×2.25×2.25 45 4 32 6.75×6.75×6.7538 2.0 2820.25×20.25×20.25 351.526從表 2可以清楚地看出,巖體的各種變形模量 隨著巖體尺寸加大而明顯降低。受壓變形模量在尺 寸大于 6.75 m(=L C 27 時,才基本趨于穩(wěn)定;卸荷 初始變形模量也是如此。受拉變形模量對尺寸的反 應稍敏感一些,但當巖體尺寸達 20.25 m(=L C 81 時,也趨于穩(wěn)定。因此各種計算

23、時巖體的變形模量 以 =L C 81時的試驗結果為宜。 3.5 泊松比隨尺寸的變形根據試驗,可以得到巖體的泊松比,試驗中巖 體的泊松比隨尺寸的變化如圖 6所示。圖 6 巖體泊松比隨尺寸的變化Fig.6 Variation of Poission s ratio of rock mass with size從圖 6可以看到,泊松比隨著巖體尺寸加大而 增加。對無結構面的試件,其泊松比較小,一旦有 結構面存在其泊松比迅速加大。但當 L >6.75 m (=L C 27 時,泊松比變化趨于穩(wěn)定。因此,泊松比 2036 巖石力學與工程學報 2003年表 3 各種力學參數值Table 3 Diffe

24、rent kinds of mechanical parameters變形模量 /GPa泊松比抗壓強度 /MPa受壓受拉 抗拉強度 /MPa卸荷初始變形模量 /GPa受壓 受拉 8035151.3260.360.38也與巖體尺寸有關, 只有當巖體尺寸達到一定值時, 泊松比才趨于穩(wěn)定。受壓狀態(tài)與受拉狀態(tài)變化規(guī)律 及大小基本一致。3.6 各向異性與巖體尺寸的關系卸荷巖體的各向異性是十分明顯的 4, 610,其 與巖體尺寸的變化如圖 7所示 (以強度為例 。圖中,0表示各向同性抗拉強度, i 表示各向異性抗拉強度。從圖中可以看出,各向異性也隨尺寸的加大而 加大。試件一旦有結構面,其對巖體各向異性的影 響是很大的,且當 =L C 27(=L 6.75 m時,才趨于 穩(wěn)定。因此只有巖體尺寸大于一定范圍時巖體各向 異性的變化才趨于穩(wěn)定。 圖 7 各向異性與巖體尺寸關系Fig.7 Relation between anisotropy and size of rock mass4 結 論(1 通過上述試驗研究分析表明,巖體的應力 -應變關系、抗壓強度、抗拉強度、變形模量、泊松 比以及巖體的各向異性等均隨著巖體的尺寸變化而 變化, 也即隨著尺寸的加大而降低。 其中抗壓強度、 受壓變形模量、卸荷初始變形模