裂隙水壓力對(duì)巖體強(qiáng)度的影響

1、裂隙水壓力對(duì)巖體強(qiáng)度的影響裂隙水壓力對(duì)巖體強(qiáng)度的影響第21卷第1期2000年3月文章編號(hào):10007598(2000)01006404巖土力學(xué)RockandSoilMechanicsVol.21No.1Mar.2000裂隙水壓力對(duì)巖體強(qiáng)度的影響朱珍德,胡定(四川大學(xué)水利工程系,成都610065)摘要:運(yùn)用斷裂力學(xué)理論定量地分析了裂隙長(zhǎng)度、方向、間距對(duì)巖石強(qiáng)度的影響,詳細(xì)推導(dǎo)了含裂隙水壓力巖體的初始開裂強(qiáng)度公式。通過(guò)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí),所建立的公式具有較高的可靠性,可用于暴雨入滲邊坡和實(shí)際工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞:斷裂力學(xué),水,裂隙,初裂強(qiáng)度中圖分類號(hào):TU457文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A作者簡(jiǎn)介:朱珍德,

2、男,35歲,副教授,在讀博士后,現(xiàn)主要從事巖土力學(xué)的研究工作。TheeffectofintestitialwaterpressureonrockmassstrengthZhuZhende,HuDing(DepartmentofHydraulicEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065)AbstractThispaperappliedthetheoryoffracturemechanicstoquantitativelyanalysetheinfluenceofthelength,directionandinternalofcracksonthero

3、ckstrength.Andtheformulaefortheinitialrupturestrengthoftherockmassunderhydraulicpressuresarealsoderivatedindetail.Theresulthasverifiedthattheformulaeproposedinthispaperishighlyreliableintheassessmentofthestabilityofengineeringrockmassandrockslopewithwaterinbiltratedduetotorrentialrain.KeyWordsfractu

4、remechanics,water,fissure,initialrupturestrength巖石遇水強(qiáng)度降低一直是困擾地下工程圍巖穩(wěn)定性的一大難題。Chugh1、康紅普2等針對(duì)沉積巖的抗壓強(qiáng)度作了大量的試驗(yàn),得出了水對(duì)巖石強(qiáng)度的弱化程度取決于巖石的物理性質(zhì)、初始狀態(tài)、含水率、容重以及應(yīng)力狀態(tài)等因素,但沒有考慮巖體本身結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度的影響。眾所周知,任何巖體內(nèi)部均存在著大量的缺陷(微觀的或宏觀的裂隙),正因?yàn)檫@些缺陷的存在,使巖體的性質(zhì)(如抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度及彈性模量)表現(xiàn)出各向異性。關(guān)于裂隙對(duì)巖石強(qiáng)度的影響,目前國(guó)內(nèi)外已在這方面作了一定的工作,如趙平勞等針對(duì)層狀巖體的抗壓強(qiáng)度作了大量的實(shí)驗(yàn)

5、研究,得出了十分有意義的結(jié)論。范景偉等3對(duì)含定向閉合斷續(xù)節(jié)理巖體的強(qiáng)度特性也作了較詳細(xì)的研究,并從理論上推導(dǎo)出含節(jié)理巖體強(qiáng)度公式。王桂堯等從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)度和方位對(duì)巖體強(qiáng)度的重要影響。作者擬在前人的基礎(chǔ)上,運(yùn)用斷裂力學(xué)理論,就裂隙水壓力對(duì)巖體抗壓強(qiáng)度的影響問題作進(jìn)一步的探索。圖1單裂隙受力圖Fig.1Theforcebearingstateofsinglefracture的外力作用,1,3分別為主應(yīng)力單元體的最大與最小主應(yīng)力,板內(nèi)與最大主應(yīng)力夾角為的任一平面CD裂隙所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為:1+31-3221-3sin2=2=(1)(2)當(dāng)裂隙內(nèi)存在滲透壓力p=!H時(shí),由于假

6、定巖塊本身不導(dǎo)水,則作用在巖塊上的分布力包括裂隙面內(nèi)2 強(qiáng)度公式的推導(dǎo)由巖石力學(xué)理論知,一無(wú)限大板受如圖1收稿日期:19990315*校青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(413010104).第1期朱珍德等:裂隙水壓力對(duì)巖體強(qiáng)度的影響外層傳遞的有效應(yīng)力!ij和滲透壓力p,計(jì)算巖塊變形時(shí)用總應(yīng)力,計(jì)算裂隙變形時(shí)應(yīng)采用有效應(yīng)力,即ij!ij=ij-p1+31-3=-cos2-p2(%12-fi)sin2+ficos2-fi-%)i12(1-cos22k#c/+2cisin2+ficos2-fi-%)12(1-cos2的平行裂紋,根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)知:將式(3)代入式(1),式(2)可得含滲透水壓裂隙面如果裂

7、紋不是一條,而是一組無(wú)限多等長(zhǎng)、等間距(4)(5)sin22k#=k#=(15)將式(15)代入式(13)整理可得:1=tantan?ab根據(jù)斷裂力學(xué)理論,其裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為在實(shí)際的抗壓實(shí)驗(yàn)中,巖石試樣內(nèi)的裂紋都存在由張開到閉合直至擴(kuò)展破壞的過(guò)程。因此,研究抗壓實(shí)驗(yàn)中裂紋對(duì)強(qiáng)度的影響,必須從閉合裂紋著手。由式(4),(5)知,在壓縮狀態(tài)下閉合裂紋既受到垂直于裂紋面的壓應(yīng)力作用,又受平行于裂紋面的剪應(yīng)力的作用。因此,裂隙表面會(huì)存在與方向相反的摩擦阻力作用,其大小為F=ci+fi#文獻(xiàn)2,5知:ci=ci(#,t)fi=fi(#,t)平行于裂紋面所受合力為(sin2+ficos2+fi)+%

8、)12(1+cos2(sin2+ficos2-fi)-%)12(1-cos22%12-2fitan?ab2k#c/式中ci和fi分別為裂紋面上的凝聚力和摩擦系數(shù),由(8)(9)tan?ab(sin2+ficos2-fi)-%)12(1-cos2巖體中的裂隙大都成組分布,而且常常是多組裂隙同時(shí)存在。每一個(gè)裂隙都被其他裂隙所包圍,有時(shí)還被其他組裂隙切割,在其附近還可能有更低級(jí)的裂隙分布。這些都會(huì)影響到裂隙尖端附近的應(yīng)力狀態(tài),改變裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。由文獻(xiàn)7知:k#=Fk#0=F將式(4),(5),(10)代入式(6)得=(sin2+ficos2-fi)-(sin2+ficos2+fi)+pfi-

9、ci式中F是所考察裂隙附近其他相對(duì)裂紋對(duì)其應(yīng)力強(qiáng)度因子的綜合影響系數(shù),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙面剪切試驗(yàn)結(jié)果確定,再用有限元斷裂分析結(jié)果反推。將式(17)代入式(13)可得1=i iii12i3+F(sin2i+ficos2i-fi)-%12(1-cos2i)2%12-2FfiF(sin2i+ficos2i-fi)-%12(1-cos2i)2k#c/+2ciFF(sin2i+ficos2i-fi)-%12(1-cos2i)同時(shí),因沿垂直裂紋方向還存在正應(yīng)力,其對(duì)剪切斷裂起遏制作用,而由式(4),(11)知裂隙水壓力顯然抵消了一部分正應(yīng)力,起到裂紋劈裂作用,由式(6)得k?值為k?=-1+1-33?a

10、(12)-cos2-p根據(jù)文獻(xiàn)6對(duì)受壓條件下的剪切斷裂,(k?,k#復(fù)合型斷裂)采用如下簡(jiǎn)單判據(jù):%12k?+k#=k#c(sin2+ficos2-fi)-%)12(1-cos2a+2ci1/2式中%12為壓剪系數(shù);k#c為壓縮狀態(tài)下的剪切斷裂韌度,其值可由標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)定。將式(11),(12)代入式(13)得裂紋初裂強(qiáng)度:sin2+ficos2+fi+%)12(1+cos21=f-%(1-)3+事實(shí)上,對(duì)于k?=0,滲透壓力pi=0的情況,文獻(xiàn)根據(jù)迭加原理也得出了與式(11)完全相同的k#表達(dá)式。但是在實(shí)際工程中k?一般不等于零,pi?0。從下面的討論中將會(huì)看到本文的公式比文獻(xiàn)3所3 理論公式

11、的驗(yàn)證與討論為了驗(yàn)證理論公式(14),(16)的可靠性,選用文獻(xiàn)3的實(shí)驗(yàn)參數(shù):其一,用一組平行裂隙,裂隙長(zhǎng)9.6cm,連通率&=0.6,排距2cm。節(jié)理裂隙方向與1方向的夾角為,試塊澆注成=0%,15%,30%,45%,60%,75%。在特制的鋼架中進(jìn)行加載試驗(yàn),圍壓3為0和0.2MPa。其二,用兩組交叉裂隙,第一組節(jié)理裂隙長(zhǎng)9.6cm,連通率&=0.6,間距4cm。第二組裂隙長(zhǎng)4.8cm,&=0.6,間距8cm,交叉裂隙之間夾角為80%,圍壓3=0,0.18MPa。峰值內(nèi)摩擦角(0所用實(shí)驗(yàn)材料的主要物理力學(xué)指標(biāo)E=0.238&104MPa,?=0.2,峰值凝聚

12、力c0=0.38MPa,k?c=74.06N/cm,k#c=33.80N/cm。裂隙的凝聚力ci=0,fi=0.365,%12=0.3得到的計(jì)算值與用模型測(cè)得的試驗(yàn)以及文獻(xiàn)3理圖5(a)中。從4個(gè)圖中可以看出,文獻(xiàn)3的利用上述數(shù)據(jù)將式(16)(pi=0)論值繪于圖2(a),圖3(a),圖4(a),理論值一般都低于實(shí)驗(yàn)值,而用本文的公式去分析裂隙巖體的強(qiáng)度特征更能反映實(shí)際情況。從4個(gè)圖中不難看出,文獻(xiàn)3所提出的公式僅能在一定的(a)理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較(b)裂隙水壓力p與巖體圖3含一組平行裂隙巖體理論強(qiáng)度3、實(shí)驗(yàn)值與裂隙水壓力的關(guān)系Fig.3Relationshipoftheoreticalst

13、rengthandexperimentresultwithinterstitialwaterpressureofrockmasscontainingasetofparallelcracks角度范圍內(nèi)反映真實(shí)情況,本文推導(dǎo)的公式也存在此類問題。由式(16)知,當(dāng)?0時(shí),分母?0,即1?(,存在著奇異性。同時(shí),當(dāng)?90%時(shí),分母可能為負(fù)值,即1圖2(b),圖3(b),圖4(b)和圖5(b)是利用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)式(16)并考慮到pi不同情況下做出的理(a)理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較(b)裂隙水壓力p與巖體論強(qiáng)度曲線。從這4個(gè)圖中不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)%12時(shí),隨著pi增大,巖體強(qiáng)度下降明顯,圖2含一組平行裂隙巖體

14、理論強(qiáng)度、實(shí)驗(yàn)值與裂隙水壓力p的關(guān)系Fig.2Relationshipoftheoreticalstrength,experimentalresultwithinterstitialwaterpressureofrockmasscontainingasetofparallel30%左右時(shí)巖體強(qiáng)度最低。從式而pi的大小并不影響曲線的形態(tài)。巖體強(qiáng)度具有明顯的方向性,隨著裂隙面與1方向夾角而改變,在(16)可以推得,隨%12增大,強(qiáng)度曲線逐漸向右移對(duì)于不同巖性的巖體當(dāng)3=0時(shí),若巖石力學(xué)參數(shù)恰好使得k#c/那么不論裂隙面方向如何,強(qiáng)度值1恒為零,+2ciF-2(Ffi-%12)pi=0,此時(shí)pi為最

15、大裂隙水壓力。當(dāng)fi,ci,F,k#c,%12等參數(shù)取定時(shí),給定pi,若使得Fsin2i+fi(1+cos2i)F+(1+cos2i)%123-2(Ffi-%12)pi+2k#c/(+2ciF)達(dá)到最小,就可以確定出最不利裂隙結(jié)構(gòu)面。(1)從斷裂力學(xué)的角度出發(fā),推導(dǎo)了裂隙巖體抗(a)理論值與實(shí)(b)裂隙水壓力與巖體壓強(qiáng)度公式。在不考慮裂隙水壓力時(shí),其結(jié)果更符合實(shí)際。(2)對(duì)本文中建立的公式進(jìn)一步分析,考慮到pi對(duì)巖體強(qiáng)度的影響,Ffi>%從計(jì)算結(jié)12時(shí)才符合實(shí)際。果看,隨著3和%向左移動(dòng),12的增大,強(qiáng)度曲線向上、并且變陡。(3)依據(jù)文中的公式,不但可用于評(píng)估含大量裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)

16、定性,而且可用于評(píng)價(jià)暴雨入滲巖體高邊坡穩(wěn)定性問題。參考文獻(xiàn)1ChughYP.EffectsofmoistureonstratacontrolincoalminesJ.EngineeringGeology,1981(17):241255.2 康紅普.水對(duì)巖石的損傷J.水文地質(zhì)工程地質(zhì),1994(3):3940.3 范景偉,何江達(dá).含定向閉合斷續(xù)節(jié)理巖體的強(qiáng)度特性J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1992,11(2):190199.4 王桂堯,孫宗頎,徐紀(jì)成.巖石壓剪斷裂機(jī)理及強(qiáng)度準(zhǔn)則的探討J.巖土工程學(xué)報(bào)，1996,18(4):6874.5 Oojo.TheeffectofmoistureonsomemechanicalpropertiesofrockJ.MiningScienceandTechnology,1990(10):145156.圖4含兩組交叉裂隙巖體強(qiáng)度、實(shí)驗(yàn)值與裂隙水壓力p的關(guān)系Fig.4Relationshipoftheoreticalstrengthandexperimentresultwithinterstitialwaterpressureofrockmasscontainingtwosetsofcrossed(a)理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較(b)裂隙水壓力與巖體6 周群力.巖石壓剪判據(jù)