节理分布对岩体变形试验的影响分析

向新益，伍东卫

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830091；2.云南公路工程试验检测中心，云南 昆明 650000）

节理分布对岩体变形试验的影响分析

向新益1，伍东卫2

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830091；2.云南公路工程试验检测中心，云南 昆明 650000）

以某水电站坝址岩体现场承压板试验为依据，通过对比分析两组岩质及岩体结构基本相同的岩体承压板变形试验的数据及结果，揭示了节理的存在和数量对岩体现场变形试验测试值的影响。在此基础上，采用数值模拟手段，探讨了层面裂缝间距、倾角对层状岩体变形模量的影响规律。研究成果对提高岩体现场变形试验的准确性及代表性具有较好的参考价值。

现场承压板试验；节理分布；变形模量；层状岩体

1 概 述

岩体变形模量是岩土工程设计的重要参数，也是评价坝基、边坡和地下洞室等工程岩体变形稳定性的主要参数［1］。由于岩体是经受复杂地质作用后，具有多种不连续结构的地质体，在工程中通常采用常规现场承压板试验确定岩体的变形模量。由于地质构造作用的复杂性，节理分布具有随机性，即使是同一片区域的岩体，现场承压板试验所在区域的岩体内节理分布也不相同，从而导致所测的同一区域岩体的力学参数值存在差异。正因如此，如何合理确定工程岩体的力学参数，成为岩石力学界一大难题。通过大量的工程实践与研究，何满朝［2］教授提出了工程岩体的连续性理论，建立了工程岩体连续性的概化方法，提出了工程岩体力学参数确定的方法，即室内试验与数值模拟试验相结合。在此基础上，张占荣［3］、周火明［1］、熊诗湖［4］等人进一步研究了岩体力学参数的尺寸效应问题。尤明庆［5］教授从微观结构学的角度解析了岩石室内试验参数测定值的差异性。但对岩体现场试验参数测定值的差异性目前研究成果较少，本文根据某水电站岩体现场变形试验结果，分析了节理对岩体现场变形试验的影响，并基于工程岩体连续性概化理论，采用承压板数值模拟试验，探讨了岩层面倾角和层面裂缝间距对层状岩体现场承压板试验的影响。

2 工程及现场试验概况

2.1 工程概况

坝基左右岸主要出露地层分别为奥陶系下统红花园组（O1h）和大湾组（O1d）。红花园组（O1h）岩性为厚至巨厚层结晶灰岩和生物碎屑灰岩，岩体坚硬致密，完整性好，结构类型为厚层状结构，饱和抗压强度RW＝65.6～71.7 MPa，属坚硬岩石；大湾组（O1d）岩性为瘤状泥质灰岩，岩体完整性较好，结构类型为厚层状结构，饱和抗压强度RW＝47.8～53.4 MPa，属中硬岩石。坝址岩层为单斜褶构造，岩层产状：走向N53°E，倾向SE，倾角45°。地质勘探平硐主要为PD5和PD6。

2.2 岩体现场承压板试验

2.2.1 试验方法

岩体变形试验采用圆形刚性承压板法，承压面积为2 000 cm2。试件制备和试验严格按照试验规程［6］有关要求进行。试验加压方式采用逐级一次循环法。最大压应力一般为6.0 MPa，均匀分为5级载荷加压，加荷后立即测读一次，此后每隔10 min测读一次。稳定标准是：承压板上所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次读数和前一段压力下最后一次读数差之比小于5%时，即施加或退至下一级压力。退压稳定标准与加压相同。

2.2.2 试验点布置及基本条件

左岸PD5平洞中岩体变形试验布置了8点，其中水平方向5点，铅直方向3点；右岸PD6平洞中布置了4点，其中水平、铅直方向各2点。PD5平硐内试验编号依次为E1～E4、E9～E12，PD6平硐内试验编号依次为E5～E8。为排除岩质及进洞深度对现场承压板试验的影响，选取了（E1、E2）、（E5、E6）二组试验点进行对比分析，其岩体表面素描图分别见图1～2。

图1 （E1、E2）组岩体表面素描

图2 （E5、E6）组岩体表面素描

2.3 试验结果及分析

2.3.1 试验成果整理

根据实测数据绘制压力P～变形W之间的关系曲线，结合曲线类型，按试验规程［6］有关要求，运用公式（1）计算变形参数：

式中 E——变形模量或弹性模量，GPa，当以全变形Wo代入式中计算时为变形模量Eo，当以弹性变形We代入式中计算时为弹性模量Ee；

μ——岩体泊松比；

P——按承压面单位面积计算的压力，MPa；

D——承压板直径，cm；

W——岩体表面变形，cm。

（E1、E2）、（E5、E6）二组试验点的压力P～变形W曲线如图3～6所示，相对应的二组试验数据分别见表1～2。

2.3.2 试验结果对比分析

图3 试验点E1承压板试验压力P～变形W曲线

图4 试验点E2承压板试验压力P～变形W曲线

图5 试验点E5承压板试验压力P～变形W曲线

图6 试验点E6承压板试验压力P～变形W曲线

表1 E1、E2试验点承压板试验结果

表2 E5、E6试验点承压板试验结果

结合图1中E1、E2的地质素描图，对比图3与图4，以及表1中E1、E2的试验数据，可知由于试验点E1承压板所在区域岩体节理数量较E2要多，两个试验点所得压力P～位移W曲线特征存在明显差异。试验点E1存在明显的节理被挤压变形的现象。相对而言，若在同级荷载作用下，E1的全变形值要大于E2。虽两处试验点岩质及岩层构造基本相同，但由于两试验点处岩体所含节理数相差较大，导致变形模量试验值相差8.1 GPa，约占其平均值的32.3%。

结合图2中E5、E6的地质素描图，对比图5与图6，以及表2中E5、E6的试验数据，可知在加载应力相同的情况下，E5的全变形值比E1要大得多，其压力P～位移W曲线特征也存在差异。试验所得两处岩体变形模量试验值相差1.2 GPa，约占其平均值的8.2%。

由上述对比分析可知，在地质构造基本相同的条件下，节理的存在与数量将直接影响岩体现场变形试验测定值，进而影响工程中岩体变形参数的合理确定。

3 岩体现场承压板试验数值模拟

3.1 数值模型的建立及参数取值

以试验点E5岩体现场刚性承压板试验为依据，基于工程岩体的连续性理论及概化方法［2］，采用有限差分软件FLAC＿3D进行数值仿真。试验点E5岩体的数值试验模型如图7所示。

边界条件：铅直边界上施加水平约束；水平底部边界上施加铅直约束。本构模型：摩尔库伦弹塑性本构模型。计算参数采用淋溪河坝区岩体地质报告建议值，具体如表3和表4所示。荷载施加方式：数值试验加压方式采用逐级一次循环法，最大压应力平均分为5级加载。数值稳定标准是：每级荷载计算达到平衡后，即可施加或退至下一级压力。

图7 试验点E5数值试验模型

表3 岩石力学参数

表4 结构面力学参数

3.2 数值试验与现场试验对比分析

由图8和图5可知，现场试验与数值试验压力～变形曲线特征基本一致。表5给出了试验点E5现场试验与数值试验成果对比分析结果。由表5可知，两者各级压力对应的变形相对误差在2%以内。因此，这种岩体现场变形试验模拟方法是可行的。

图8 E5试验点数值仿真试验压力～变形曲线

表5 试验点E5现场试验与数值试验成果对比分析

4 层状岩体变形模量数值试验研究

4.1 数值试验方案

为探讨层面间距、倾角对岩体现场变形试验的影响，特拟定了如下方案：层面间距S分别取0.5 m、0.75 m、1.0 m、1.25 m，倾角分别取0°、30°、60°、90°；为排除边界条件对试验的影响，数值试验中岩体试件尺寸取10 m×10 m×10 m；数值模型参数、边界条件、本构模型及试验参数与试验点E5模拟试验相同。

4.2 数值试验结果

通过对数值试验方案中各类试件的数值试验数据进行整理计算，结果如表6所示。

表6 层状岩体变形模量数值试验值 GPa

4.3 层面倾角对岩体变形模量的影响

根据表6中各类层状岩体试件变形模量数值试验值，绘制层状岩体变形模量随结构面倾角的变化关系曲线，如图9所示。由图可知：不同结构面间距的层状岩体变形模量随倾角的变化特征存在一定差异；变形模量的倾角效应特征随结构面间距的增大而变弱。

图9 结构面间距不同的层状岩体变形模量与倾角的关系

4.4 层面间距对岩体变形模量的影响

图10给出了各类倾角层状岩体变形模量随结构面间距的变化曲线。由图10可知：各类倾角层状岩体曲线变化规律基本一致，即随结构面间距的增大而变大并逐步趋于某一稳定值；曲线变化特征会因结构面倾角的不同而存在较大差异。随着结构面间距的增加，倾角90°层状岩体变形模量增幅最小，倾角0°层状岩体增幅最大，倾角30°、60°层状岩体变化曲线特征基本一致。

5 结 论

通过对某水电站坝址岩体多组现场承压板试验进行对比分析，发现在岩质和构造基本相同的情况下，节理的存在与数量将对岩体现场变形试验测定值产生较大的影响。节理数量愈多，岩体变形值愈大，岩体变形模量越小。试验中岩体的压力P～位移W曲线特征也会因试验点处岩体节理的分布不同而出现差异。在此基础上，运用数值模拟手段，探讨了层面间距、倾角对层状岩体变形模量的影响规律。层状岩体变形模量存在明显的倾角效应特征，但随层面间距的逐渐增大，此特征逐步减弱。随着层面间距的增大，各类倾角的层状岩体变形模量值会随之增大，并逐渐趋向于某一稳定值，但不同倾角的层状岩体增长特征有所差异。

图10 各类倾角层状岩体变形模量与结构面间距的关系

［1］周火明，盛谦，陈殊伟，等.层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（2）：289－292.

［2］何满朝，薛廷河，彭延飞.工程岩体力学参数确定方法的研究［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（2）：225－229.

［3］张占荣，盛谦，杨艳霜，等.基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究［J］.岩土力学，2010，31（9）：2875－2881.

［4］熊诗湖，邬爱清，周火明，等.层状软岩力学特性现场试验研究［J］.地下空间与工程学报，2006，2（6）：887－890.

［5］尤明庆，邹友峰.关于岩石非均质性与强度尺寸效应的讨论［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（3）：391－395.

［6］中华人民共和国国家标准，水利水电工程岩石试验规程（SL264－2001）［S］.北京：中国水利水电出版社，2001：53－62.

TU452

B

1003－9805（2015）01－0023－05

2014－10－22

向新益（1963－），男，四川苍溪人，高级工程师，注册岩土工程师，从事水利水电工程地质勘察及岩土检测试验工作。