基于數(shù)值參數(shù)選取的巖石力學(xué)試驗(yàn)已發(fā)

基于數(shù)值分析參數(shù)選取的巖石力學(xué)試驗(yàn)閆振陸陽秦浩張華（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院成都610031）摘要：工程巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定是巖石力學(xué)界存在的一大難題。針對山區(qū)修筑公路常遇開挖自然斜坡坡腳而誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的情況，對某邊坡的巖石進(jìn)行常規(guī)及三軸試驗(yàn)，結(jié)合野外工程巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)性資料，以獲得邊坡穩(wěn)定分析的巖石力學(xué)參數(shù)。用這些參數(shù)對開挖邊坡作非線性有限元分析，所確定的巖石力學(xué)參數(shù)提高了數(shù)值建模的合理性和分析的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：邊坡；巖石力學(xué)參數(shù)；巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模型DetermineMechanicalParametersofRockMassesforNumericalanalysisBasedonMechanicsExperimentYanZhen,LuYang,QinHao,ZhangHua(SchoolofCivilEng.,SouthwestJiaotongUniversity,,Chengdu610031,China)Abstract:Acontinuitymodelofengineeringrockmassesisbuilt.Theschematizationmethodofthecontinuityofengineeringrockmassisreported.Atmountainareasthenaturalslopefailureoftenoccurreafterconstructionofhighways.Conventionaltestsandclaytestsfromasampleillustrationwereconductedwhichcombinethefieldfeaturesofengineeringrockandsomeexperimentaldatainordertoobtainthecomputationparametersforslopestabilityanalysis.Thecalculationresultsareprovidedfornonlinearfiniteelements(FEM)foranalysisofexcavatedslope.Theresultsshowedthatitiseffectiveandreasonablewaytodetermineparametersofengineeringrockmasses.Keywords:slope，mechanicalparametersofrockmasses，mechanicsexperimentofrockmasses,numericalsimulation引言隨著西部山區(qū)建設(shè)公路項(xiàng)目的增多，山區(qū)修筑公路不可避免會出現(xiàn)開挖邊坡，削坡改變了斜坡自然平衡條件，由于坡體上緣表層多為孔隙較大風(fēng)化嚴(yán)重的破碎巖石，地表水易滲入滑體，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度下降，開挖后邊坡易失去平衡狀態(tài)而導(dǎo)致滑坡。非線性有限元方法是對開挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的有效方法。但如何合理確定工程巖體的力學(xué)參數(shù)，是巖石力學(xué)研究中的一大難題。該原因涉及到工程巖體的連續(xù)性問題，即一方面認(rèn)為工程巖體是非連續(xù)性介質(zhì)，另一方面所用的力學(xué)理論又屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，這是一個(gè)棘手的矛盾。本文以山區(qū)公路某段開挖邊坡的巖石力學(xué)參數(shù)確定方法為例，采用室內(nèi)試驗(yàn)成果，結(jié)合野外調(diào)查及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)性資料，分析和確定所研究巖體的力學(xué)參數(shù)。邊坡巖體力學(xué)參數(shù)確定2.1野外調(diào)查邊坡的工程地質(zhì)特性某邊坡樁號K132+480～+562,上緣海拔約m，下緣（公路一側(cè)擋土墻頂）海拔m，相對高差約為78m，。地面橫坡平均約45度，其開挖邊坡位處區(qū)域昔格達(dá)深大斷裂帶，那爾壩斷層（F7）與路線斜交，斷層下盤為砂泥巖互層。斷層破碎帶由泥巖、碳質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖組成，斷裂切割密集，裂隙幾乎無粘結(jié)力，巖體強(qiáng)度低。經(jīng)現(xiàn)場考察，估計(jì)斷層破碎帶巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）為10～25％，斷層下盤砂泥巖巖體質(zhì)量指標(biāo)為50％以上。坡體中上部植被發(fā)育，下臨安寧河。該邊坡表層為砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化帶，中間為泥質(zhì)砂巖中風(fēng)化帶，基層為凝灰?guī)r中風(fēng)化區(qū)，中間層與基層之間夾有一層厚度為1米左右的軟弱夾層，斷層破碎帶在第五級坡面通過，寬度不均勻，平均寬度約10米。受那爾壩斷層的影響，巖層節(jié)理發(fā)育，擠壓破碎，為典型的碎結(jié)構(gòu)裂巖質(zhì)邊坡。2.2室內(nèi)常規(guī)及三軸實(shí)驗(yàn)為獲取該邊坡處分屬不同巖層的巖石的相關(guān)性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)，以便進(jìn)一步深刻揭示巖石的力學(xué)性質(zhì)，準(zhǔn)確合理地建立有限元數(shù)值模型，需要進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)。根據(jù)要求，鉆孔施工時(shí)，對取出的巖樣進(jìn)行了篩選采集，以進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，測試巖石和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場鑒定，該處巖石以不同鉆孔不同深度分別為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r等。門巖石常規(guī)映試驗(yàn)結(jié)果丟根據(jù)現(xiàn)場塑觀察和實(shí)疾驗(yàn)結(jié)果，絞可分析知富該邊坡處晴山體破松碎標(biāo),院巖石風(fēng)化戶明顯，物唉理力學(xué)指尤標(biāo)顯示：揉巖石密度灣在跪2.57度g/cm液3陶～溝2.56星g/cm藍(lán)3掀之間，飽科和吸水率緊在綢1.9第9晚％擇～妖2.4戒8紡％之間，管干抗壓強(qiáng)賠度溉在墻40.0剪MP竄a最～旗36.2控MP滔a欲之間，濕俊抗壓強(qiáng)度金在倍26.2擦MP襲a溉～位23.3恐MP蝶a亦之間，軟與化系數(shù)罩為留0.6未5疾，濕抗壓螞強(qiáng)度降低昂明顯，巖欺石存在軟咽化現(xiàn)象。勵(lì)從而證明充該邊坡處戶巖石屬于型較差類巖報(bào)石。氏低盲孟碑奧鼠其它巖石天物理力學(xué)坑指壁標(biāo)臣辣免慚礙舊表北(噴1)時(shí)野圖殼外鑒嫌編笛介號與(老取垂句樣禿發(fā)位贊大置非)悉室內(nèi)岸編號毯烘壽籃干豈密丸兔度踏(廢g/cm述3昌)孔比往綁重嫁普列顛餡通它吸水率麗(鼻%)嘩飽桃青謎和它吸水率客(勿%)伯彈佛壘性穿模具滅量賊(未GPa)規(guī)泊松比弱干抗拉餅強(qiáng)逮晨涂度糊(稠MPa)弟濕抗拉乳強(qiáng)榨般輩度鎮(zhèn)(悶MPa)業(yè)軟子欄化窄系賄鑰數(shù)倦1撥1灶2.57篇2.56鉗2.56景2.73布1.81死2.22鑼2.37纖1.99渡2.31蹲2.48揚(yáng)8.15潤8.10面8.00財(cái)0.28卷2.90朵2.85偏2.70鑒1.88轟1.75即1.54黃0.65雙2.2.軋2賴室內(nèi)巖石擁三軸實(shí)驗(yàn)惡通過實(shí)驗(yàn)銹獲的不同悲圍壓下巖瞇石的抗壓譜縮強(qiáng)度。噸由該實(shí)驗(yàn)耀可以得出鍋確定強(qiáng)度運(yùn)包絡(luò)線所盲需的必要幻數(shù)據(jù)，同炮時(shí)結(jié)合已桌測定出的靠巖石的單婦軸抗拉強(qiáng)跪度和單軸誓抗壓強(qiáng)度翼，計(jì)算出編內(nèi)摩擦角流和內(nèi)聚利力擁C揉。棕施加預(yù)定挑的圍壓，蜂加壓速度庭宜控制逼在掏50鐘kpa/蠢S魯左右，以濱保持圍壓陣穩(wěn)定，圍藥壓的變形匆范圍不得抬超過預(yù)定帶值泰的畜2接%譯。然后亭以旦0.5伯MPa/裳S嘆的速度施斷加軸向荷顏載，直至肚破壞，記季錄破壞時(shí)蜻的最大荷北載（包括文峰值強(qiáng)度胡和殘余強(qiáng)宇度）及相廳應(yīng)的圍壓賭值（每塊懷試樣對應(yīng)快一個(gè)破壞幻時(shí)的最大王荷載及相寫應(yīng)的圍壓抓值）熊。錄叢見表犧（謊2改）。根據(jù)痕極限軸向歸應(yīng)力互和圍巖責(zé)求巖石的饒內(nèi)摩擦角恥（店）和內(nèi)聚截力配（痕C兆）：略圖記（殲1威）第一組圾巖石峰值巡應(yīng)力莫爾籌圓榆圖價(jià)（旬2閣）第二組亡巖石峰值枝應(yīng)力莫爾厚圓鋸繪制應(yīng)蜘力別-歲應(yīng)變?nèi)^每程曲線，癢見圖膊（映3愧）、圖悉（視4林）銳：盛各圖縱（尋3映）第一組胃巖石應(yīng)形力護(hù)-衣應(yīng)變?nèi)^格程曲線豬圖陶（赴4騎）第二組酬巖石應(yīng)清力標(biāo)-沫應(yīng)變?nèi)^把程曲線戀巖昏諒石接梳三現(xiàn)雅軸竹蛾試猾州驗(yàn)蹈紙成碑眨果瞎縱表賊先包茶跪表逼（匠2宰）雖室內(nèi)壓編號妙試迎件件狀處丑喝理斗試件柳編號凳側(cè)壓奇σ梢3敏（嗎MP斷a刮）剩彈性糞模量蠟（裂GP根a炎）估變形頌?zāi)Ａ咳海谿P巡a重）越峰值康強(qiáng)度鑄（癥MP拆a武）道殘余拼強(qiáng)度臘（板MP超a閥）充備洋葵管注黎1扛烘干辭1-1家0無8.16大7.63允36.2亭15.5意1-6汁2.0黃17.4戒13.0滾51.8料31.0稍1-5轎4.0拴19.4侍12.0溝56.9船51.8脂1-2使6.0晚26.0艷17.3墻67.3虛56.9那1-3幣8.0種28.0獲21.2害129川72.5脹2占烘干祥2-1憑0頂7.70瞞5.14錦30.0維10.3陪2-5喊0妹8.50派6.45發(fā)32.5臭15.0扁2-2跳3.0蹤18.1剪12.0爬46.6怒46.6種2-4筐6.0除26.1速18.9怖88.0押72.5懼2-3拖9.0鵝28.8刃24.8元129環(huán)98.3樂參考《巖確石力學(xué)參栗數(shù)手冊》詳，結(jié)合表株（宏2殺）經(jīng)計(jì)算缺、修正得印到相關(guān)力岔學(xué)參數(shù)義：永時(shí)劑耍贊瓦巖易浙石錢蹈抗歌肝剪襯摘強(qiáng)雞惰度還自督為表老（脫3略）括編號猾試艇掩件猶狀春磨態(tài)拜強(qiáng)度極限撕特曾勿征姜缸點(diǎn)溝應(yīng)力莫爾薦圓法強(qiáng)度危參數(shù)兄φ拔(乒°)頭t媽g慣φ養(yǎng)C(M都P餅a)旦1紅烘土箱干絡(luò)峰值飄45.0潤1.00攪5奴殘余們42.0駐0.90喝1偷2點(diǎn)烘音慈干愈峰值正48.0遵1.11綢4售殘余競44.0步0.97雹1屢由實(shí)驗(yàn)結(jié)中果，當(dāng)圍胡壓麥σ樂3懶≤衣9.0M堡P宇a鄙時(shí)，兩組馬巖石的彈天性模量、五變形模量漲隨著圍壓帶的升高，磚有較為明咐顯的增長眾趨勢。兩水組巖石的肢峰值應(yīng)力殘強(qiáng)度、殘爽余應(yīng)力強(qiáng)擁度均隨圍秤壓的升高朋而呈十分芽明顯的增唐大趨勢。繪故可以認(rèn)臭為圍壓效亦應(yīng)對這兩霸組巖石的斃力學(xué)指標(biāo)孫有明顯的幸影響。而眉且在圍壓練σ施3然≤傭9.0M誰P限a眾時(shí)，這兩夠組巖石的劑破壞形式凈幾乎不隨腥圍壓增加冶而改變，決大部分試廈件均沿陡輛傾的結(jié)構(gòu)獅面破壞，稠且試件破叨壞后呈鼓棗形。塌兩組用于沒巖石三軸乓強(qiáng)度試驗(yàn)次的試件均再呈風(fēng)化狀涌態(tài)，試件所不均勻地鑄分布風(fēng)化糟銹斑及裂共隙，尤其挽第二組試負(fù)件含有豐遲富的裂隙韻，辨節(jié)理、弱隊(duì)層面、弱牽片理面、仔軟弱帶等狼不同類型片的結(jié)構(gòu)面匙。匹由于風(fēng)化龍狀態(tài)及不惠同類型結(jié)盾構(gòu)面的不訂均勻分布覺，造成試花驗(yàn)數(shù)據(jù)存旦在一定的英離散性，愁但對巖石看整體性質(zhì)蟲的評價(jià)影模響不大。剪從應(yīng)力～大應(yīng)變?nèi)^肯程曲線上劃可以看出皮，兩組巖伏石變形均跑較大，全極過程曲線瘡隨著圍壓慰的增加，臺有明顯的塊塑性變形受的趨勢。太應(yīng)力～應(yīng)燦變關(guān)系明神顯呈現(xiàn)非步線性關(guān)系屋。薪3.筆橫開挖邊坡斗的有限元店模型分區(qū)扁邊坡有限征元法就是頑用有限個(gè)窯單元體所這構(gòu)成的離茫散化結(jié)構(gòu)灑代替原來搶的連續(xù)體角結(jié)構(gòu)來分孩析土體的礙應(yīng)力和變簽形。有限跌元分析可換以處理復(fù)峰雜的邊界株條件以及獄材料的非練均勻性和趕各向異抹性灶,雜還可以有君效地模擬償材料的非阿線性應(yīng)力陽應(yīng)變關(guān)近系喪,黎得出圍巖懶的可能破亡壞部位。罷有限元模盡型的建立介大體上可極分為直接質(zhì)法及間接議法，直接教法為直接類按照結(jié)構(gòu)留系統(tǒng)的幾含何外形建竭立節(jié)點(diǎn)及灘單元。而李間接法是維通過點(diǎn)、型線、面、共體積，建忍立結(jié)構(gòu)系旱統(tǒng)的幾何萌外形，再尊對實(shí)體模披型進(jìn)行網(wǎng)礦格劃分，浮建立有限茂元模型。葡考慮到該逮坡段形狀能復(fù)雜，所掛以采用間鋤接法進(jìn)行叫實(shí)體建模蛛。在邊坡朱幾何形態(tài)壯確定的基棕礎(chǔ)上，對脆有限元實(shí)拘體模型進(jìn)鍛行網(wǎng)格劃鍵分，其中粥關(guān)鍵的就島是進(jìn)行網(wǎng)賣格劃分的隆參數(shù)設(shè)定摔。銹根據(jù)邊坡獸的地質(zhì)特唱性，將整咸個(gè)邊坡模望型共劃分綱為七塊材噸料，其中燙上部風(fēng)化裁層厚度美約旬5印m書至橡28m遞,餡順坡向下端部由上至僅下分為強(qiáng)而風(fēng)化區(qū)，膊中風(fēng)化區(qū)化，夾層與滾中風(fēng)化區(qū)獵，中間包嫂含一個(gè)斷環(huán)層。各塊望材料位置柿如下圖示汪：蒜圖魔（拿5愿）肉屋邊坡材料榜分區(qū)示意筐圖臺4.焰結(jié)論姜本文探討位確定巖體焰力學(xué)參數(shù)略的一種有囑效方法，率即在野外環(huán)工程地質(zhì)永調(diào)查、室懂內(nèi)力學(xué)試湊驗(yàn)的基礎(chǔ)錄上，結(jié)合芬相關(guān)經(jīng)驗(yàn)負(fù)性資料，會給出某一謠特定工程蔑巖體的力壘學(xué)參數(shù)，的該方法具執(zhí)有方便、甘高效、實(shí)剝用等優(yōu)胖點(diǎn)凝,蘇克服了單叢純依靠大澇型試驗(yàn)設(shè)頭備的不足尸之腹處橋,廣經(jīng)驗(yàn)型資蘆料的借鑒叢解決了試螺驗(yàn)選樣代夾表性不足搏的問題，露減少了參嶼數(shù)選取的長盲目性。傻數(shù)值建模圓的準(zhǔn)確合仇理既依賴荷于模型剖米分的合理魚性，又取蓮決于參數(shù)撈選取的準(zhǔn)宮確性，可借以說，巖禽體力學(xué)參驚數(shù)的準(zhǔn)確霧確定是進(jìn)派行精確的匙數(shù)值模擬鼓的先決條請件。氧參考文獻(xiàn)碑：銹［礙1篩］張季劈如個(gè).央夏邊坡開挖容的有限元款模擬和穩(wěn)渾定性評價(jià)侍［丙J紀(jì)］延.賤巖石力學(xué)榴與工程學(xué)型報(bào)蚊.200敲2,(6舟):84搞3-84妙7.迷［低2獸］林每清獵.呈公路開挖避邊坡的穩(wěn)狗定性分析疤方法研堡究柿.黑