卸荷巖體的尺寸效應(yīng)研究

1、第 22卷 第 12期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 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(xué)基金 (59649008資助項(xiàng)目。作者 李建林 簡介:男, 42歲,博士,現(xiàn)為三峽大學(xué)“三峽學(xué)者”特聘教授、博士生導(dǎo)師,主要從事巖土工程和水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的教學(xué)與科研工作。 E-mail :LJL。卸荷巖體的尺寸效應(yīng)研究 *李建林 王樂華(三峽大學(xué) 宜昌 443002摘要 討論了巖體尺寸效應(yīng)研究的現(xiàn)

2、狀。根據(jù)三峽工程永久船閘高邊坡巖體的物理仿真卸荷試驗(yàn),研究了卸荷巖 體的尺寸效應(yīng)問題,即應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形模量、泊松比、各向異性等物理特性,得到了 幾點(diǎn)有意義的結(jié)論,并推薦了相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。 關(guān)鍵詞 巖石力學(xué),卸荷巖體,尺寸效應(yīng),力學(xué)參數(shù)分類號 TU 452 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)今巖體是歷史上經(jīng)過多次地質(zhì)構(gòu)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(zhì)各異的節(jié)理和裂隙,且它具

6、有多相性,同時(shí)賦存 于地應(yīng)力環(huán)境中。工程實(shí)踐中已有不少學(xué)者已認(rèn)識 到選擇不同尺寸的巖體試件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),其強(qiáng)度和 變形有相當(dāng)?shù)牟顒e。如文 1介紹, Rocka 和 Dasilv 于 1970年, Shroeder 于 1974年, Bieniawski 于 1979年在進(jìn)行巖體的現(xiàn)場原位試驗(yàn)時(shí),就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問 題,認(rèn)識到原位試驗(yàn)結(jié)果的分散性很大程度上是尺寸效應(yīng)的原故。文 2的研究表明,當(dāng)巖體試樣尺寸 大于三倍典型節(jié)理跡長時(shí),其試驗(yàn)的相對誤差才可 接受。因此,如何相對準(zhǔn)確地估計(jì)巖體的強(qiáng)度和變 形參數(shù),對于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工,以及準(zhǔn)確地 估計(jì)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(shí)也表

7、明,在實(shí)踐中,如何做到 三倍于節(jié)理跡長的原位試驗(yàn),無論是選點(diǎn)、還是試 驗(yàn)方法或設(shè)備上,都是難以實(shí)現(xiàn)的。為此,考慮到 如此大的現(xiàn)場原位試驗(yàn)的困難,人們試圖利用模型 試驗(yàn)的方法來研究巖體的力學(xué)參數(shù) 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(yīng)研究 2033 山和魏建明等 (2002年 4, 5。這些試驗(yàn)一般是建立在試件加載破壞的基礎(chǔ)之上的,這對傳統(tǒng)巖體力學(xué) 參數(shù)的選取和確定, 起到了很好的促進(jìn)作用。 但是,

8、 由于工程實(shí)踐中, 常常會遇到一些開挖巖體的工程, 這種開挖會導(dǎo)致巖體的卸荷,確定這些卸荷巖體的 強(qiáng)度和變形參數(shù),首要的問題之一是必須掌握這些 卸荷巖體的尺寸效應(yīng)問題。只有這樣,才能準(zhǔn)確地 選取巖體力學(xué)參數(shù)。因此,本文根據(jù)巖體試件的三 軸卸荷試驗(yàn),研究了卸荷巖體的尺寸效應(yīng)問題。2 試驗(yàn)描述作者以三峽工程永久船閘陡高邊坡為對象,以 其地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、巖體開挖卸荷為 背景,作為國家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目、國家 自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國家電力公司重大項(xiàng)目,運(yùn)用 物理仿真的模擬試驗(yàn)方法研究了巖體卸荷的力學(xué)特 性和尺寸效應(yīng)問題。試驗(yàn)運(yùn)用的是巖體模擬試驗(yàn)相似理論與技術(shù), 試驗(yàn)的相似關(guān)系有如下幾個(gè)

9、方面:(1 幾何相似, (2 重力相似, (3 材料的力學(xué)性能相似, (4 巖體的結(jié) 構(gòu) (結(jié)構(gòu)面 相似, (5 邊界力相似, (6 開挖過程模 擬的相似。然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的相似關(guān)系,推算出 巖體的各種力學(xué)關(guān)系。2.1試件尺寸及范圍試驗(yàn)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(yīng)。試件是根據(jù)三軸試驗(yàn)機(jī)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(xiàn)場較大范圍的巖體及其包含的結(jié)構(gòu) 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(yīng)于巖體 的實(shí)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(yàn)的尺寸效應(yīng)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(yàn)中采用地質(zhì)力學(xué)模型材料,試驗(yàn)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(jié)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(xué)參數(shù)如表 1所示。2.3試件設(shè)計(jì)三峽工程永久船閘區(qū)巖體節(jié)理裂隙根據(jù)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(jié)構(gòu)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(jù)文 4的結(jié)構(gòu)面分析, 由于 NWW 向結(jié)構(gòu)面 與 y 向的交角比較大 (接近垂直于卸荷方向 ,當(dāng)沿 y 向卸荷時(shí),極易引發(fā)裂縫的擴(kuò)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(shí)不大敏感。因此,研究巖體的卸荷問 題時(shí),考慮較為敏感的結(jié)構(gòu)面 NWW 向和 NEE 向, 這兩組結(jié)構(gòu)面,直接影響到巖體力學(xué)特性及巖體卸 荷的力學(xué)特性。兩組結(jié)構(gòu)面的設(shè)計(jì)如下:表 1 四種地質(zhì)力學(xué)模型材料配比及力學(xué)參數(shù)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(qiáng)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(xué)與工程學(xué)報(bào) 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(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)如圖 2所示。 圖 2 結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì) Fig.2 Design of structural plane2.4 試驗(yàn)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(yīng)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(yàn)中按不同相似關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì), 如 =L C 27時(shí),試驗(yàn)設(shè)計(jì)值為 0.15, 0.33, 0.13 MPa。即首先 將地應(yīng)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(yīng)力至 巖體破壞。試驗(yàn)是在專門為巖體卸荷試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的三軸機(jī) 上進(jìn)行的,其中一個(gè)方向上可實(shí)現(xiàn)拉應(yīng)力,它是通 過試件的兩端面采用高強(qiáng)粘結(jié)劑與試驗(yàn)機(jī)的連接件 粘結(jié)來實(shí)現(xiàn)的 4。3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析3.1 不同尺寸條件下巖體試件的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系通過試驗(yàn),得到了不同尺寸范圍巖體試件卸荷 的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系曲線。 為便于分析與比較, 將各種 尺寸巖體試件卸荷的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系繪于圖 3中。圖 中 A , B , C , D 分別對應(yīng)于相似關(guān)系為 3, 9, 27, 81的試件,試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)相似關(guān)系轉(zhuǎn)換到原型。從圖中可以清楚地看出,當(dāng)試件的模擬范圍較

16、小時(shí),如 =L C 3(A 組,相當(dāng)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(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)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(shí)的拉應(yīng)變也相對較小;當(dāng)試件的模擬范圍增加 時(shí),如 =L C 9(B 組,試件含有結(jié)構(gòu)面 ,試件卸荷過 程的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系曲線顯然不同。當(dāng)荷載較小時(shí), 其應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系比較接近于 A 組試件。 隨著卸荷量 增加,應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系偏離 A 組試件的曲線逐步加 大。這說明試件中有結(jié)構(gòu)面時(shí),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(jié)構(gòu)面的放松、 起裂與擴(kuò)展而產(chǎn)生附加的塑性變形。試件破壞時(shí)其 拉應(yīng)力較 A 組小,但拉應(yīng)變較大;當(dāng)試件的模擬范 圍進(jìn)一步加大, 如 =L C 27時(shí), C 組試件內(nèi)含結(jié)構(gòu)面 數(shù)目增加, 包含有大的或薄弱的結(jié)構(gòu)面可能性加大, 試驗(yàn)對卸荷的敏感性增強(qiáng),卸荷過程產(chǎn)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(yuǎn)。但當(dāng)試件的模擬范圍達(dá)到 20 m以上時(shí) (D 組,=L C 81 ,此時(shí), 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(dāng)試件的模擬范圍大于 6 m以上時(shí),卸荷過程的應(yīng) 力 -應(yīng)變關(guān)系比

18、較接近, 也就是說巖體試件達(dá)到一定 尺寸范圍時(shí),其尺寸效應(yīng)即基本趨于穩(wěn)定。 3.2 抗壓強(qiáng)度與尺寸的關(guān)系抗壓強(qiáng)度是巖體力學(xué)研究中的一個(gè)十分重要的 力學(xué)指標(biāo)。抗壓強(qiáng)度隨巖體尺寸范圍的變化而變化, 根據(jù)不同尺寸巖體的模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示。通 過圖 4可以看出,抗壓強(qiáng)度隨巖體尺寸的變化而變 化。當(dāng)巖體尺寸比較小時(shí),巖體的抗壓強(qiáng)度較高; 當(dāng)巖體的尺寸較大時(shí),則其抗壓強(qiáng)度隨之減小。這 表明,當(dāng)巖體隨著尺寸的加大,巖體內(nèi)包含的結(jié)構(gòu)第 22卷 第 12期 李建林等 . 卸荷巖體的尺寸效應(yīng)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(qiáng)度。 圖 4 抗壓強(qiáng)度與尺寸的關(guān)系

19、Fig.4 Relation between compressive strength and size當(dāng)巖體尺寸 L >6.75 m時(shí) (=L C 27 ,其抗壓強(qiáng) 度逐漸趨于穩(wěn)定,此時(shí),巖體的抗壓強(qiáng)度是未含結(jié) 構(gòu)面抗強(qiáng)度的 60%左右。 3.3 抗拉強(qiáng)度與尺寸的關(guān)系巖體的抗拉能力較弱,一般為抗壓強(qiáng)度的 10%左右?？估瓘?qiáng)度也是巖體穩(wěn)定分析中的一個(gè)非常重 要的力學(xué)參數(shù), 它直接影響到巖體數(shù)值分析的結(jié)果。 試驗(yàn)中,巖體試件的抗拉強(qiáng)度隨試件的模擬范圍變 化而變化,試驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示。 圖 5 抗拉強(qiáng)度與尺寸的關(guān)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(shí), 巖體的抗拉強(qiáng)度高。 最高為巖塊的抗拉強(qiáng)度, 其值為 7.6 MPa(實(shí)際巖石試件, 圓柱形 54 mm; 當(dāng) 相似關(guān)系 =L C 3時(shí) (模擬巖塊試件比實(shí)際巖石試件 大數(shù)倍 , 抗拉強(qiáng)度降為 4.8 MPa; 當(dāng)相似關(guān)系 =L C 9時(shí),抗拉強(qiáng)度下降為 2.6 MPa,降約 40%;當(dāng)相似 關(guān)系 =L C 27時(shí),抗拉強(qiáng)度下降為 1.4 MPa,降約 75%; 當(dāng)相似關(guān)系 =L C 81時(shí), 抗拉強(qiáng)度為 1.3 MPa, 降低約 85%。試驗(yàn)表明,隨著巖體尺寸的加大,巖 體的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度降低速度更快。 當(dāng) L C >27時(shí) (巖體尺寸 L >6.75 m時(shí), 巖體抗拉強(qiáng)度的變化 基本趨向穩(wěn)定。 當(dāng) L C >81時(shí) (巖體尺寸 L >20.25 m時(shí),巖體抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。此時(shí)的抗拉強(qiáng)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(xiàn)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(shí),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(yīng)稍敏感一些,但當(dāng)巖體尺寸達(dá) 20.25 m(=L C 81 時(shí),也趨于穩(wěn)定。因此各種計(jì)算

23、時(shí)巖體的變形模量 以 =L C 81時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果為宜。 3.5 泊松比隨尺寸的變形根據(jù)試驗(yàn),可以得到巖體的泊松比,試驗(yàn)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(jié)構(gòu)面的試件,其泊松比較小,一旦有 結(jié)構(gòu)面存在其泊松比迅速加大。但當(dāng) L >6.75 m (=L C 27 時(shí),泊松比變化趨于穩(wěn)定。因此,泊松比 2036 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2003年表 3 各種力學(xué)參數(shù)值Table 3 Diffe

24、rent kinds of mechanical parameters變形模量 /GPa泊松比抗壓強(qiáng)度 /MPa受壓受拉 抗拉強(qiáng)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(guān), 只有當(dāng)巖體尺寸達(dá)到一定值時(shí), 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(guān)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(qiáng)度為例 。圖中,0表示各向同性抗拉強(qiáng)度, i 表示各向異性抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)面,其對巖體各向異性的影 響是很大的,且當(dāng) =L C 27(=L 6.75 m時(shí),才趨于 穩(wěn)定。因此只有巖體尺寸大于一定范圍時(shí)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(guān)系Fig.7 Relation between anisotropy and size of rock mass4 結(jié) 論(1 通過上述試驗(yàn)研究分析表明,巖體的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(qiáng)度、 受壓變形模量、卸荷初始變形模