（岩土工程专业论文）层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验.pdf

摘要 长期以来，工程岩体力学参数取值一直采用经验方法，除岩体力学试验的 地质代表性外，最大的困难在于如何将小尺寸( 小于l m ) 的试验成果应用于工 程范围的岩体参数取值。已有试验研究成果表明由于岩体中结构面的存在，当 试验尺寸从室内岩块试验的0 0 5 m 增加到现场岩体试验的0 5 0 m 时，岩体变形 模量明显降低。问题是岩体尺寸增加到多大时才能代表工程岩体的性质( 即确 定岩体的代表性单元尺寸) ，并由此确定岩体宏观力学参数。现代计算机技术的 迅速发展以及在岩土工程领域的广泛应用使得用数值方法模拟岩体的力学性质 成为可能。 本文以水布垭工程为背景，围绕层状岩体的宏观力学参数，开展了下列研 究工作： ( 1 ) 在全面获取岩体宏观力学参数研究现状的基础上，通过对现场岩体试 验、工程岩体分级和位移反分析等方法的深入认识，论述开展层状岩体宏观力 学参数计算机模拟试验的重要性与必要性，并探讨了计算机模拟实验的方法论： ( 2 ) 以水布垭工程为背景，建立了地质概化模型，开展了现场承压板试验 计算机模拟，研究了承压板直径、软弱岩层的埋深和软弱岩层的弹性模量对岩 体弹性模量的影响。结果表明：软岩的埋深对层状岩体力学参数的影响有一个 临界深度，临界深度大约为承压板直径的6 8 倍；同一埋深时，层状岩体的等 效弹性模量随着软岩弹性模量的减小而减小，在达到临界深度后，软岩弹性模 量对岩体的等效弹性模量影响较小；层状岩体的宏观力学参数与承压板的直径 有关，当承压板的直径大于5 6 m 时，层状岩体的等效弹性模量趋于一个稳定 值。 ( 3 ) 在上述研究成果的基础上，开展了层状岩体三轴压缩试验的计算机模 拟实验，以研究层状岩体的各向异性，软弱岩层的倾角、埋深对层状弹性模量 的影响，以及软弱岩层的倾角和埋深对三轴压缩试验弹性模量的联合影响；研 究结果表明：含有水平岩层的岩体表现出横观各向异性的性质；岩体的弹性模 量随着岩层倾角的变化而变化，倾角为4 5 。时，岩体的等效弹性模量最小：在 软弱岩层埋深没有超过l 临界值时，岩体的等效弹性模量随着软弱岩层的埋深增 大而增大，并给出了倾角与埋深对等效弹性模量的联合影响面。 通过上述研究工作，本文探讨了层状岩体宏观力学参数计算机模拟实验方 法，获得了关于层状岩体宏观力学参数的若干重要认识，对于层状岩体宏观力 学参数工程有着借鉴和启示作用。 关键词：层状岩体宏观力学参数数值模拟试验 l l a b s t r a c t m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fe n g i n e e r i n gr o c km a s s h a v e a l w a y sb e e no b t m n e db y e x p e r i e n c ef o ral o n gt i m e e x c e p tf o rg e o l o g i c a lr e p r e s e n t a t i o no f m e c h a n i c a lt e s t s ， t h eb i g g e s tp r o b l e mi sh o w t oa p p l yt h er e s u l t so f r o c kt e s tw i t h i ns m a l ls c a l e ( 1 e s s t h a n1 m ) o n t h ea d o p t i o no ft h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f e n g i n e e r i n gr o c km a s s e s s o m e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w n t h a tt h ed e f o r m a t i o nm o d u l u so f r o c km a s s e s o b v i o u s l yr e d u c e da c c o r d i n gt ot h es i z e sf r o ml a b o r a t o r y r o c kt e s t s ( o 0 5 m ) t of i e l d r o c km a s s e st e s t s ( 0 5 m ) b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fs t r u c t u r a ls u r f a c e t h ep r o b l e m i st h a th o wm u c ht h er e p r e s e n t a t i v ee l e m e n tv o l u m eo f r o c km a s s e sc a nr e p r e s e n tt h e p r o p e r t i e s o fe n g i n e e r i n gr o c km a s s e sa n dc o u l db eu s e dt oc o n f i r mm a c r o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ni sp o s s i b i l et os i m u l a t et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r o c k m a s s e sd u et ot h e r a p i dg r o w i n go fm o d e mc o m p u t e rt e c h n i q u e s a n di t sw i d e a p p l i c a t i o n o n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g b a s e do n s h u i b u y ah y d r o p o w e rp r o j e c t a n dc o m b i n e dw i t ht h em a c r o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f l a y e r e dr o c km a s s e s ，t h ef o l l o w i n gw o r k h a sb e e nd o n ei n t h i sp a p e r ： 1 b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea c q u i r e m e n to f m a c r om e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f l a y e r e dr o c km a s s e s ，b yd e e pr e c o g r t i z a t i o no f m e t h o d so ff i d dt e s t so fr o c km a s s e s ， c l a s s i f i c a t i o no fe n g i n e e r i n gr o c km a s s e sa n db a c ka n a l y s i so fd i s p l a c e m e n t ，t h e i m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t y t o c a r r yo u tt h es i m u l a t i o n t e s t so fm a c r om e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fl a y e r e dr o c k m a s s e sw a sd e m o n s t r a t e da sw e l la si t sm e t h o d o l o g yh a s b e e nd i s c u s s e d 2o nt h eb a c k g r o u n do fs h u i b u y ah y d r o p o w e rp r o j e c t ，g e n e r a l g e o l o g i c a l m o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e s t so ff i e l db e a r i n gp l a t e t e s t sh a sb e e nc a r r i e do u t ，w eh a v es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fd i a m e t e ro f b e a r i n g p l a t e ， t h ed e p t ha n de l a s t i cm o d u l u so ff e e b l er o c ks t r a t u mo ne l a s t i cm o d u l u s t h er e s u l t s h o w st h a tt h ei n f l u e n c eo ft h e d e p t h o ff e e b l er o c ks l r a t u mo nm e c h a n i c a j i n p a r a m e t e r so fl a y e r e dr o c km a s s e s h a sac r i t i c a ld e p t h ，w h i c hw a s6 8t i m e so ft h e d i a m e t e ro fb e a r i n gp l a t e ；i nt h es a m ed e p t h ，t h ee q u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u so f l a y e r e dr o c km a s s e sd e c r e a s e da st h ed e c r e a s i n go f e l a s t i cm o d u l u so ff e e b l er o c k s t r a t u m ，a f t e rr e a c h i n g t h ec r i t i c a ld e p t h ，t h ei n f l u e n c ei sc o m p a r a t i v e l ys m a l l ；m a c r o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fl a y e r e dr o c km a s s e sh a sar e l a t i o nt ot h ed i a m e t e ro f b e a r i n gp l a t e ，w h e nt h ed i a m e t e rb e y o n d e d5 - 6 m ，t h ee q u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u s o f l a y e r e dr o c km a s s e s t e n d e dt oa s t e a d y v a l u e 3o nt h ea b o v es t u d yr e s u l t s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s t so fl a y e r e dr o c km a s s e sh a v eb e e nc a r r i e do u tw h i c ha i m e da t s t u d y i n gt h e a n i s o t r o p y o ft h el a y e r e dr o c km a s s e s ，t h ee f f e c to f d i pa n g l ea n d t h ed e p t ho ff e e b l e r o c ks t r a t u mo ne l a s t i cm o d u l u sa sw e l la si n t e g r a t e de f f e c to ft h o s et w of a c t o r so n e l a s t i cm o d u l u s t h es t u d yr e s u l ts h o w st h a tt h er o c km a s s e sc o n t a i n i n gt h el e v e l r o c ks t r a t u md e m o n s t r a t e e dt r a n s v e r s ea n i s o t r o p y ；e l a s t i cm o d u l u so fr o c km a s s e s v a r i e sw i t hd i pa n g l eo fr o c ks t r a t u m ，w h i c hi sm i n i m a lw h e nd i pa n g l ee q u a l st o4 5 d e g r e e ；w h e nt h ed e p t h o ff e e b l er o c ks t r a t u mw i t h i nt h ec r i t i c a l v a l u e ，t h e e q u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u s o f l a y e r e dr o c km a s s e si n c r e a s e da st h ei n c r e a s i n go f t h e d e p t ho ff e e b l er o c ks t r a t u m ，a tt h e s a l f l et i m et h ei n t e g r a t e de f f e c ts u r f a c eo f e q u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u sb yd i pa n g l e a n dt h e d e p t h i sg i v e n w i t ht h ea b o v e r e s e a r c h i n gw o r k ，t h et h e s i sd i s c u s s e dt h em e t h o d o fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e s to nm a c r om e c h a n i c a lp a r a m e t e ro fl a y e r e dr o c km a s s e s ，a c q u i r i n g s o m ei m p o r t a n tr e c o g n i z a t i o n sa b o u tm a c r om e c h a n i c a lp a r a m e t e ro fl a y e r e dr o c k m a s s e s ，w h i c hc a r lb et a k e na sar e f e r e n c ea n de n l i g h t e n m e n tt ot h ee n g t n e e r i n go f m a c r om e c h a n i c a lp a r a m e t e ro f l a y e r e dr o c k m a s s e s k e y w o r d s ：l a y e r e d r o c km a s s e sm a c r om e c h a n i c a lp a r a m e t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e s t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院武汉岩土力学研究 所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：郄善卒 日期：z * 乒年占月弘日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文的规定，即该 所有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩影或其他复制手段保存论文。 作者签名：霎f 占犀 日期：妒即年6 月3 一f ：t 导师签名： f t 期：厶州拜、b w 钴如或 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 岩体力学参数取值一直是岩体力学数值仿真深入研究的难题，它在很大程 度上决定了数值计算的准确性、实用性。 岩体是种地质体，它是由结构面与结构体组成的0 3 ，结构面的存在使得 岩体具有不连续性和非均匀性；不同位置的岩体同时由于地质方面的原因，诸 如岩石成分、岩石结构以及地质构造运动等因素的影响，使得不同位置的岩体 具有不同的力学性质；长期以来，工程岩体力学参数取值一直采用经验方法， 除岩体力学试验地质代表性外，最大的困难在于如何将小尺寸( 小于i m ) 的试 验成果应用于工程范围的岩体参数取值，即如何解决岩体力学参数的尺寸效应 问题。已有试验研究成果表明由于岩体中结构面的存在，当试验尺寸从室内岩 块试验的0 0 5 m 增加到现场岩体试验的0 5 0 m 时，岩体变形模量明显降低。小 范围的室内岩块实验以及现场平洞实验的结果难以代表几十米乃至几百米以上 的工程岩体的力学性质，更难以代表不同地质单元和不同范围的工程岩体力学 性质。3 。问题是岩体尺寸增加到多大时才能代表工程岩体的性质( 即确定岩体 的代表性单元尺寸) ，并由此确定岩体宏观力学参数，因此需要研究岩体变形模 量随岩体尺寸增加的变化规律。为了使针对工程岩体所进行的各种计算分析更 符合工程实际，需要获得能代表大范围岩体力学性质的力学参数，即岩体的宏 观力学参数。 岩体宏观力学参数是研究一定范围和尺度的岩体在一定荷载作用下的力学 性质，是岩石力学最基本、最困难的研究课题之一“”。 1 2 岩体宏观力学参数的研究现状 i 9 6 0 年代以后，由于计算机技术的飞速发展，大容量、高速计算机的不断 涌现，人们将数值分析方法如有限元法、离散元法、有限差分法和边界元法等 引入到岩体力学的研究中来，为解决复杂岩体的力学行为问题开辟了一条十有 效的途径。从某种意义上讲，工程设计的困难不在于计算手段，而在于描述岩 层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验 体基本力学行为的力学模型岩体本构关系上，即：这些模型是否反映客观 多变且含多不确定性岩体的力学本质。因此，进入7 0 年代，岩体本构模型的研 究非常活跃。进入8 0 年代后，人们发现：本构模型的正确选择除自身许多不确 定因素的影响之外，影响数值分析结果的准确性还取决于这些模型中的反映岩 体力学性质的参数，如弹性模量、粘结力、摩擦角和泊松比等，本构模型建立 后，数值分析结果的准确性依赖于这些力学参数值，再完美的本构模型如果没 有可靠的力学参数与之匹配，其计算结果的准确性就会大打折扣。也就是说， 在数值分析领域中，本构模型和材料参数的研究与确定是相辅相成的。近年来， 岩体宏观力学参数的研究悄然兴起，成为工程岩体力学研究的一个新的研究方 向! 根据所查的资料，国内外关于岩体宏观力学研究参数的文章比较少，运用 数值模拟的手段来研究岩体的宏观力学参数的文章就更少了，主要有： 盛谦“。”删等在国内较早的把岩石力学理论与计算机理论结合起来，采用 数值模拟方法，研究了节理裂隙岩体宏观力学变形参数的结构效应、各向异性、 节理力学性质对变形参数的影响。探索出了一条由地质调查裂隙统计 岩体结构三维网络模拟等效本构模型计算机模拟试验岩体宏 观力学参数的研究方法。采用上述方法，对三峡工程船闸区典型地段的岩体进 行了计算机模拟试验，研究了节理对宏观力学参数的影响以及宏观力学参数的 结构效应o ”3 。 周火明、盛谦”1 等研究了三峡工程永久船闸边坡岩体宏观力学参数的尺寸 效应问题，他们采用室内及现场岩体力学试验、建立尽场关系、工程岩体分级、 计算机模拟试验以及边坡位移监测成果的反演分析等手段，对三峡永久船闸边 坡卸荷带岩体变形参数的尺寸效应进行了研究，建立了岩体变形模量与岩体尺 寸之间的关系。研究成果表明永久船闸高边坡岩体宏观力学参数具有明显的尺 寸效应，由此建立了轻微卸荷带岩体与岩块变形模量比值( e 。e 。) 同尺寸比值 ( d - d ) 之间的关系：艮e 。= 0 9 0 * ( d 。d ) “”，确定岩体的代表性单元尺寸为3 0 m ， 岩体宏观变形参数取值3 2 g p a 。并且指出：尺寸效应存在的根本原因是岩体内 部结构面的存在，当岩性相同时，结构面组数、数量、长短、间距、张开宽度 决定了岩体变形特性，不同的岩体尺寸包含的结构面不同，导致变形模量的差 第章绪论 异。 李建林 “1 运用数值方法研究了三峡卸荷岩体的宏观力学参数。通过对岩体 节理裂隙模拟，切取不同尺寸“岩体试件”进行数值分析，再根据数值分析结 果来推测岩体的宏观力学参数。计算中把岩体视为由岩块和节理两种材料组 成，所选用的数值分析方法是弹塑性有限元法，采用d r u c k e r - - p r a g e r 屈服准 则。计算中将岩体中的节理用专门的节理单元来处理，运用有限元方法确定卸 载状态下岩体的应力一应变关系，分析得出各阶段岩体的力学参数。 李维树、周火明”等通过对三峡闪云斜长花岗岩和单元岩体的变形特性 和声学试验研究的总结，以及对三峡坝区弹性波和地震波测试资料的归纳分析， 提出了确定工程岩体宏观力学参数的建议方法。他们提出了单元岩体的概念， 指出单元岩体是一定数量岩块的组合，单元岩体的波速值在一定程度上反映了 小范围岩体的结构特征；大范围岩体是若干不同形式岩块的组合体，比单元岩 体包含的裂隙多，但是大范围岩体与单元岩体的变形机理基本致：最后给出 了工程岩体宏观变形参数的确定方法：通过岩体的动静对比试验研究，借助于 大面积地震波速值来确定。具体为：( 1 ) 可行性阶段的工程勘察以地质钻孔为 主。首先对钴孑l 岩芯样进行动静对比试验，进行钻孔声波单孔和跨孔测试，建 立芯样e v p 关系；由单孔测试波速计算变形模量，对单元岩体进行完整性评 价i 再由跨孔测试波速计算大范围岩体变形模量，初步确定工程岩体宏观力学 参数。( 2 ) 进入技术设计阶段，开挖勘探平洞，进行详细勘察工程，并开展现 场岩石力学试验。通过由针对性布置变形特试点进行单元岩体的变形特性试验 和声波测试，建立单元岩体e v p 关系；由勘探平洞弹性波波速或者地质钻孔 地震波波速计算大范围岩体变形模量，对单元岩体进行完整性评价，并确定工 程岩体宏观变形参数的建议值。 谭文辉”等指出：工程实践中，岩体宏观力学参数的确定至关重要，直 接影响到工程的安全性和经济性。提出用g s i 和广义h o e k b r o w n 法来确定岩 体的宏观力学参数。他们将工程岩体分类的新方法地质强度指标( g s i ) 法 和广义h o e k - - b r o w n 法结合起来，对某矿山边坡岩体宏观力学参数进行了估 计，并与其它岩体参数估计方法进行了对比研究。 陈志坚【4 6 】等基于大量野外调查和室内研究，对层状岩体的岩性组合特征， 层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验 软弱夹层、裂隙的分布规律以及岩体结构特征进行分析研究、分区分类并建立 相应的样本单元。提出了用样本单元法模拟现场大型试验的，根据岩块力学参 数来获得含裂隙岩体的力学参数。样本单元分析法的总体思路和步骤如下：( a ) 确定岩体结构分区；每一个区的岩体具有相同的边界条件、外荷条件、岩性组 合和岩体结构特征。( b ) 建立每类结构区的样本单元：每个样本单元能够代表 各对应结构区的岩性组合特征和岩体结构特征。( c ) 样本单元计算分析；根据 每个区的边界条件和外荷条件对样本单元进行大三轴试验数值模拟，计算分析 时全面模拟每一条裂隙、每个层面，一个单元仅由岩性相同的岩石组成，有 关的计算参数和本构关系直接采用室内试验成果。( d ) 样本单元法成果；每一 个样本单元都获得一组应力一应变关系，显然这一关系表征了对应样本单元的 本构关系，也可据此求得样本单元的力学参数。( e ) 样本单元法成果应用；在 岩体整体有限元计算分析时，直接引用样本单元分析成果。避免了确定含裂隙 岩体力学参数的困难。 杨旭【印】等从损伤力学的角度研究了岩体的宏观力学参数。根据脆性材料的 研究成果，采用自洽理论建立了岩体的损伤力学模型，并结合岩体现场试验的 要求，提出了岩体现场力学试验的计算机模拟方法，并用该方法对某核电站的 核岛区岩体宏观力学参数进行了模拟，结果表明该文所用的方法能够解决实际 工程中所遇到的岩体宏观力学参数难以确定的问题。 赖国伟“7 3 等对深厚覆盖层高压旋喷凝结体宏观力学参数进行了研究。基于 现有工程试验资料，通过将高压旋喷凝结体分成成芯凝结体和不成芯凝结体两 组材料组成，提出了深厚覆盖层高压旋喷凝结体的统计力学模型。该模型除能 反映成芯凝结体的小尺度力学性质外，还可以反映不成芯凝结体的力学性质， 也可考虑试验钻孔中不同芯样获得率的影响。应用随机模拟理论，给出了大体 积高喷体内成芯凝结体与不成芯凝结体的空间位置及各小尺度力学参数的抽样 方法。并通过结合弹塑性有限元和随机模拟两方法，建立了高喷体宏观力学性 质的计算机模拟方法。应用所提出的三维弹塑性有限元随机模拟方法，分析研 究了向家坝水电站深厚覆盏层高压旋喷凝结体的宏观力学参数。 4 第一章绪论 1 3 问题的提出、工作思路以及本文的研究内容 正确的了解岩体的变形特性对于岩体工程分析、设计和施工十分重要。但 是在岩体内存在各种各样的结构面以及岩体本身内在的几何和力学特性难以统 计，通过有限的和小范围的室内及现场试验结果表征岩体的变形特性非常困难。 数值试验方法作为一种新兴的计算机辅助分析手段，可以用来辅助确定岩体的 宏观力学参数。 盛谦、周火明。”。7 “剡等在三峡船闸高边坡宏观力学参数的研究中提出了岩 体宏观力学参数研究的新方法即：地质调查一裂隙统计一地质概化模型一工程 岩体理想模型一计算机模拟试验一岩体宏观力学参数。 本文拟将上述方法推广至层状岩体，以清江水布垭工程为背景，研究层状 岩体的宏观特性，本文结合层状岩体的理论以及工程实际，有下几项内容： ( 1 ) 查阅有关文献资料对岩体宏观力学参数的研究现状进行论述。 ( 2 ) 对层状岩体力学参数获取的方法，包括室内岩块试验、现场岩体试验、 岩体波速评估、工程岩体分级和位移反分析等方法阐述拟开展层状岩体宏观 力学参数计算机模拟试验的必要性。 ( 3 ) 探讨了岩体宏观力学参数的理想化模型与获取它的数值模拟方法。 ( 4 ) 结合水布垭工程实际，现行的岩石力学试验，对层状岩体做了三轴压 缩试验的计算机模拟，研究三轴压缩试验等效弹性模量的尺寸效应、各向异性； 软弱岩层的倾角、埋深对三轴压缩试验的等效弹性模量的影响，以及软弱岩层 的倾角和埋深对三轴压缩试验等效弹性模量的联合影响； ( 5 ) 采用圆形刚性承压板法，用计算机模拟试验在该试验中研究了承压板 直径对等效弹性模量的影响；软弱岩层的埋深对等效弹性模量的影响；以及软 弱岩层的弹性模量对岩体等效弹性模量的影响。得到了一系列有意义的认识。 层状岩体宏麓力学参数的计算机模芋c f 试验 2 1 概述 第二章层状岩体宏观力学参数的研究方法 清江水布垭水利枢纽工程地下厂房围岩为典型的层状岩体。8 0 年代以来， 长江科学院岩基所做了大量现场试验研究和工程岩体分级的研究工作，取得了 大量研究成果。本文将以这些研究成果为基础，讨论层状岩体宏观力学参数的 现场试验与工程岩体分级研究方法，为宏观力学参数的计算机模拟试验方法提 供工程背景和基础性研究资料。 2 2 工程地质概况 清江水布垭水利枢纽电站建筑物主要由引水渠、岸塔式进水口、引水洞、 地下厂房、主变及开关室、尾水洞、尾水平台以及尾水渠等组成“”。地下厂房 布置区位于右岸坝子沟、f ：断层、马崖高边坡以及清江右岸岸坡所围限的四边 形山体之内，f ，贯穿其中。f 。、f 。相向对倾，地下厂房洞群就布置在f ：、f 所夹的三角地带。主厂房轴线2 9 6 。，长1 4 1 i l ，宽2 3 m ，高6 8 m ，为圆拱直墙形 洞室，顶高程2 3 3 m ，底高程1 6 5 m 。地下厂房围岩岩层产状平缓、岩性复杂、岩 相变化大、软硬相间。从项拱至底板主要为二迭系下统栖黢组笫4 段( p ；。4 ) 至 泥盆系写经寺组( d 。) 地层，其中夹有栖霞组第3 段( p 。3 ) 、第1 段( p 。1 ) 、马 鞍煤系( p 。) 、写经寺组( d 孤) 等性状很差、结构复杂的岩层以及0 3 1 。、0 0 1 。、 f 。等层间剪切带。宏观上呈上硬下软结构，软岩所占比例高，层间剪切带发育， 成洞条件差。 地下厂房顶拱、侧墙及基础依次为二叠系栖霞组p 。、p ，。3 、p 。2 、p 。1 段、马 鞍组p 。嘞、石炭系黄龙组c 。以及泥盆系写经寺组d 。岩体“1 。针对以上地层，试验 布置时力求选择具代表性的岩体，以使试验成果全面反映各地层的力学特性。 p ，。4 段岩体的试验布置于p d 3 8 4 勘探平洞( 沿主厂房轴线布置，洞底板高程 2 5 0 m ) 1 8 0 1 9 5m 洞段裂隙密集带，主要为微细晶灰岩夹含生物碎屑灰岩，较 坚硬完整。布置岩体抗剪强度试验1 组tq 4 - 、岩体变形试验1 组ea 4 1 。 其余岩层的试验全部在x p d 4 2 。斜洞内进行，x p d 4 2 。斜洞亦沿主厂房轴线部 第二章层状岩体宏观力学参数的研究方法 置，进口高程2 2 5 1 8 m ，底端部高程1 4 4 8 5 m ，洞长2 8 0 m 。根据设计要求由地 质和试验人员在现场确定试验层位，沿该层位开挖试验专用平洞，共开挖试验 支洞lo 条，试验布置于试验支洞底板或洞壁。x p d 4 2 “勘探斜洞揭露地层的地 质概况及其试验布置如下： p ，。3 ：分为多层性状差异较大的岩层，包括微细晶灰岩、生物碎屑灰岩、炭 泥质生物碎屑灰岩等，并发育数条性状极差的剪切带。试验布置于x p d 4 2 - 1 4 洞， 包括岩体抗剪强度试验1 组ta 3 - 1 、结构面抗剪强度试验1 组tq 3 - 2 、岩体变形试 验3 组e q 3 1 、eq 3 2 、 e q 3 3 。 p , 2 ：含燧石灰岩。在x p d 4 2 2 4 洞布置岩体变形试验l 组e 。2 小 p ，。1 ：主要为泥灰岩、含泥质团块状灰岩及生物碎屑隐一微晶质灰岩。试验 布置于x p d 4 2 3 “洞，包括岩体抗剪强度试验1 组ta 1 - l 、岩体变形试验1 组 e 口1 一l 。 p 。：厚约1 1 5 m ，上部为炭质页岩，发育0 0 14 剪切带，下部为砂岩。试验 布置于x p d 4 2 4 4 洞，包括岩体抗剪强度试验1 组t 。小岩体变形试验l 组 e m a 1 。 c ”上部为灰岩段，较坚硬完整：下部为白云质灰岩、砂岩、石英砂岩夹 页岩、炭泥质页岩等，并发育f 2 0 5 剪切带。开挖试验支洞x p d 4 2 5 弋x p d 4 2 9 4 洞共5 条，布置岩体抗剪强度试验2 组一h 1 、th 2 岩体变形试验5 组eh - 1 e h 5 ，岩体大三轴试验1 组，。 d 3 x ：x p d 4 2 4 勘探斜洞仅揭露其顶部岩体，为灰绿色页岩与粉沙岩互层。试 验布置于x p d 4 2 1 0 4 洞，包括岩体抗剪强度试验1 组t 。l 、岩体变形试验l 组 e 。】、岩体中三轴试验l 组r 。 以上开展的试验具体布置及试验段岩性见表2 1 、附图2 1 附图2 2 。 2 3 宏观力学参数的研究方法 2 3 1 原位变形试验 在选定试验段的底板布置变形试点，清除表面松动层，由石工凿制成平直 面，泡水1 5 d ，然后对试点进行地质描述。p 。? 微细晶灰岩、p 。2 燧石灰岩及c ：。 细晶灰岩变形模量较高，采用柔性双枕法，在双枕中缝埋设标点，安装变形测 7 层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验 表3 只，试验安装见图2 1 ；其余岩体采用刚性承压板法，在刚性承压板周边均 布安装变形测表4 只，试验安装见图2 2 。 e 。：、e 口3 3 、e e 。组、e 。点载荷方向垂直层面，e 。：点载荷方向 平行层面，其余各组载荷方向铅直，分5 级采用逐级一次循环加压方式，加压 前后每隔1 0 m i n 测读变形值一次。 试验成果整理时，计算有效表变形值，点绘压力p 变形w 关系曲线。确 定全变形及弹性变形值。 表2 1地下厂房现场常规岩石力学试验一览表 岩层试验试验试验试验数量 岩性 项目组号洞号 岩体抗剪 tu 4 一i 7 p l q 4微细晶灰岩夹含生物碎屑灰岩3 8 岩体变形eq 4l3 微细晶灰岩夹生物碎屑灰岩与薄 层炭泥质生物碎屑灰岩 e 1 ，l3 3 3 1 ”剪切带岩体变形eq 3 z3 p 0团块状生物碎屑灰岩与薄层炭泥质 4 2 1 生物碎屑灰岩 e 。382 薄层、极薄层炭泥质生物碎屑灰岩岩体抗剪1 316 0 3 1 “剪切带泥化带结构面抗剪 tq 3 - 2 6 p ，?含燧石灰岩岩体变形 eq 2 一l4 2 - 23 岩体变形eq l - i3 p 0含泥质团块状灰岩 4 2 3 岩体抗剪 tq i i 6 黑色炭质页岩与粉沙岩岩体变形e - 。l4 p j 。4 2 - 4 0 0 1 ”剪切带，黑色炭质页岩岩体抗剪 t i6 细晶灰岩岩体变形e i 4 2 52 岩体变形e l r 22 f 2 0 5 剪切带，页岩夹沙岩岩体抗剪 th _ j4 2 - 6 6 c 2 l l 岩体大三轴r * l5 石英砂岩夹页岩 岩体变形 eh 山34 2 72 炭泥质页岩夹粉沙岩 eh _ 44 2 - 82 岩体变形 eh _ 53 细沙岩 4 2 9 岩体抗剪t ”2 7 页岩与粉沙岩互层 岩体变形e 川 2 d h岩体中三轴r 川 4 2 一1 06 页岩，粉沙岩层面结构面抗剪 tz 1 6 柔性双枕法试点按公式( 2 - 1 ) 计算岩体变形模量e d 和弹性模量e e ： e = 等与笋 ， 8 第二章层状岩体宏观力学参数的研究方法 式中e 岩体变形模量或弹性模量( m p a ) 。当以全变形代入式中计算时为变 形模量e d ，以弹性变形代入式中计算时为弹性模量e 。； f 尺寸系数( c m ) ，与柔性枕边长、双枕中缝宽度及标点位置有关： u 岩体泊松比； p 按柔性枕单位面积计算的压力( m p a ) ； 谨岩体交形( c m ) 。 】* # i 。 l 传力挂 ! ，i o ；熟 。 。 ：纛蓑霞 6 撇 i l _ 7 一、乒# 遵仨享当- - = 竺一， 。i 7 卜一i 卜! i ：釜少一一 曾 。 ；嚣 3 干行顶 4 干分表 5 承匿扳 图2 1柔性双枕法变形试验安装示意图 图2 2 刚性承压板法变形试验安装示意图 刚性承压板法试点按公式( 2 - 2 ) 计算岩体变形模量岛和弹性模量及： e ：孑华 ( 2 - 2 ) 式中e 岩体变形模量或弹性模量( m p a ) 。当以全变形代入式中计算时为变 形模量e d ；当以弹性变形代入式中计算时为弹性模量e 。； 儿岩体泊松比； p 按承压板单位面积计算的压力( m p a ) ： d 罚0 性承压板直径( c m ) ： w h 岩体变形( c m ) 。 试验结果表明： ( 1 ) 岩性的变化可导致同组试验、同一试验段各点变形模量有较大差异，如 e q 3 1 0 i 点为断层影响带，变形模量3 4 9g p a ，eq 3 - 1 0 2 、eq 3 1 0 3 点为微细晶灰岩 夹生物碎屑灰岩，变形模量】4 3 5 1 7 。7 1 g p a ；e “ o l 、e i 0 2 点为含泥质灰岩 夹生物碎屑灰岩，变形模量8 5 4 9 7 0 g p a ，ea 1 - 1 0 3 点为微细晶灰岩夹生物碎屑 灰岩，变形模量2 1 3 8g p a ：e 1 0 1 、e 。1 0 2 、e 。“0 3 点上部为炭质页岩( 0 0 1 。 剪切带) ，下部为粉沙岩，变形模量0 2 8 - , 0 5 5 g p a ，e 1 0 4 点为粉沙岩，变形 层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验 模量2 0 4 g p a 。 ( 2 ) 对于薄中厚层岩体，加压方向对试验成果有明显影响：平行层面加压 模量较高、垂直层面加压模量较低，如eb 。0 1 点垂直层面加压，变形模量为 0 4 0 g p a ，eh - 4 0 2 点平行层面加压，变形模量为l _ 2 3 g p a 。 ( 3 ) 软岩泡水后性状弱化，变形模量明显降低，如eh 小e 。1 组。 2 3 2 岩体声波测试方法 当岩石受到振动、冲击或爆炸作用时，各种不同动力特性的应力波将在岩 体中传播。当应力值较低时，一般只产生弹性波；当应力值较高时，则产生塑 性波。因此，人们利用低应力下岩石的弹性波的传播问题来研究岩体力学问题， 如超声波、地震波、电磁波、c t 等。测量结果表明，利用弹性波来确定的岩 体力学参数比般的静力法测得的结果要高，为此，人们建立了许多关系。但 是，目前通用的波速与材料常数的关系是在弹性、均质、各向同性的基础上推 导出来的，而实际上的岩体由于节理裂隙的存在，岩体的力学特性呈现出随方 向的差异，因此人们必须考虑到这种假定的差别，因而必须从各向异性的角度 上去考虑，更能符合实际! 岩体声波测试是基于测试岩体中声波的传播速度、振幅、频率等声学参数 来达到评价岩体性状的目的。通常，岩体性状越好，声波在其中所需的传播时 间越短，岩体波速越高，振幅越大；反之，若岩体性状越差，岩体越破碎，声 波在其中所需的传播时间越长，岩体波速越低，声波振幅越小。 钻孔声波又分为单孔声波测试和跨孔声波、跨孔地震波测试。 单孔声波测试法是将发射和接收换能器( 一般为一发双收换能器) 置于同 一钻孔中，在保持发射和接收换能器间距相对固定的条件下，按一定测点距( 通 常为0 2 m 或0 5 m ) 沿孑l 深方向逐点测读接收换能器接收到的声波初至时间。 图2 3 为单孔声波法测试装置示意图f 4 9 j 。测试时将钻孔中注满清水作为换能器 与被测介质之间的耦合剂，换能器频率1 0 k h z 。 变形试验完成后，在e 。组、e 。组、艮，组及e 。组各试点周边均匀布 置4 个声波孔，孔径4 2 m m ，孔深2 m ，进行单孔声波测试，测点间距1 0 c m 。 试验成果分析： 1 0 第二章层状岩体宏观力学参数的研究方法 ( 1 ) eq 3 - 、eq 3 - 3 0 2 点波速在孔深0 7 0 9 m 以下明显降低，表明0 7 0 9 m 图2 3 单孔声波法测试装置示意图 深处岩层变化，且下部岩层性状较 差。 ( 2 ) 分析另外7 点岩体波速沿 孔深分布曲线，l 点4 孔在相近孔 深处末同时出现低波速区，表明各 试点面下部岩体无松动层且岩性 均匀。 ( 3 ) 汇总水布垭坝区历次变形试点波速与变形模量测试资料进行相关统计， 见图2 4 ，拟合关系式为e 一= 0 0 0 3 9 e 。”“，利用此式可根据岩体波速推断变形 模量4 8 1 。 图2 4 波速v p 变形模量e d 拟合关系曲线 2 3 3 现场三轴试验方法 r m n 组：原位大三轴试验，试验位置x p d 4 2 6 。洞，试件尺寸5 0c m * 5 0c m * l o o c m ，l 组5 点侧压分别为of o3 ：0 2 0 、0 5 0 、0 7 5 、1 0 0 、1 2 5 m p a 。 己 掣 层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验 组：原位中三轴试验，取样位置x p d 4 2 - 1 0 。洞，试验位置x p d 4 2 - 2 4 洞试 验台，试件尺寸3 0 c m * 3 0c m * 6 0 c m ，l 组6 点侧压分别为0 ：= o 。= 0 2 7 、0 4 5 、 o 9 1 、1 1 5 、1 3 7 、1 8 3 m p a 。 安装前对试件进行地质描述。 轴向压力铅直向，用千斤顶施加，侧压力水平向，用液压枕施加；在试件 4 侧面中部各安装1 块共4 块横向位移测表、4 侧面上、中、下部各1 块共1 2 块竖向位移测表。试验安装见图2 5 、图2 6 。 检查加压和测量系统安装无误后即可开始试验：首先将侧向压力和轴向压 力分4 5 级同步加至预设静水压力( oi - 02 = o3 ) ，保持侧压力恒定，位移测 表读数稳定后，进行轴向压力逐级一次循环变形试验，接着进行强度试验直至 破坏。采用时间控制标准，每5 m i n 测读变形和加( 退) 荷一次。 试验成果整理分为两个方面：应力应变关系和根据应力应变关系计算得出 各点变形参数。 ( 1 ) 应力应变关系 计算各测表的位移量和轴向应变e1 、侧向应变e2 、e3 和相应的应力： 主应力ol 、侧向应力o2 = o3 。分别绘制ol e1 关系曲线