卸荷岩体的尺寸效应研究

1、第 22卷 第 12期岩石力学与工程学报 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。 * 国家自然科学基金 (59649008资助项目。作者 李建林 简介:男, 42岁,博士,现为三峡大学“三峡学者”特聘教授、博士生导师,主要从事岩土工程和水工结构工程专业的教学与科研工作。 E-mail :LJL。卸荷岩体的尺寸效应研究 *李建林 王乐华(三峡大学 宜昌 443002摘要 讨论了岩体尺寸效应研究的现

2、状。根据三峡工程永久船闸高边坡岩体的物理仿真卸荷试验,研究了卸荷岩 体的尺寸效应问题,即应力 -应变关系、抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、各向异性等物理特性,得到了 几点有意义的结论,并推荐了相应的力学参数。 关键词 岩石力学,卸荷岩体,尺寸效应,力学参数分类号 TU 452 文献标识码 A 文章编号 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 言现今岩体是历史上经过多次地质构造作用后的 残余岩体,岩体中包括有大小不等、方向不同、性 质各异的节理和裂隙,且它具

6、有多相性,同时赋存 于地应力环境中。工程实践中已有不少学者已认识 到选择不同尺寸的岩体试件进行试验时,其强度和 变形有相当的差别。如文 1介绍, Rocka 和 Dasilv 于 1970年, Shroeder 于 1974年, Bieniawski 于 1979年在进行岩体的现场原位试验时,就发现了这个问 题,认识到原位试验结果的分散性很大程度上是尺寸效应的原故。文 2的研究表明,当岩体试样尺寸 大于三倍典型节理迹长时,其试验的相对误差才可 接受。因此,如何相对准确地估计岩体的强度和变 形参数,对于实际工程的设计和施工,以及准确地 估计岩体工程的变形和稳定都是十分重要的。文 2的研究同时也表

7、明,在实践中,如何做到 三倍于节理迹长的原位试验,无论是选点、还是试 验方法或设备上,都是难以实现的。为此,考虑到 如此大的现场原位试验的困难,人们试图利用模型 试验的方法来研究岩体的力学参数 3,如 Muller 和 Pacher(1965, Brown(1971, Einstein(1974和周维 垣 (1988年 、 朱可善 (1989和朱维申 (1994年 、 潘一第 22卷 第 12期 李建林等 . 卸荷岩体的尺寸效应研究 2033 山和魏建明等 (2002年 4, 5。这些试验一般是建立在试件加载破坏的基础之上的,这对传统岩体力学 参数的选取和确定, 起到了很好的促进作用。 但是,

8、 由于工程实践中, 常常会遇到一些开挖岩体的工程, 这种开挖会导致岩体的卸荷,确定这些卸荷岩体的 强度和变形参数,首要的问题之一是必须掌握这些 卸荷岩体的尺寸效应问题。只有这样,才能准确地 选取岩体力学参数。因此,本文根据岩体试件的三 轴卸荷试验,研究了卸荷岩体的尺寸效应问题。2 试验描述作者以三峡工程永久船闸陡高边坡为对象,以 其地质条件和岩体结构、地应力、岩体开挖卸荷为 背景,作为国家“八五”重点科技攻关项目、国家 自然科学基金项目和国家电力公司重大项目,运用 物理仿真的模拟试验方法研究了岩体卸荷的力学特 性和尺寸效应问题。试验运用的是岩体模拟试验相似理论与技术, 试验的相似关系有如下几个

9、方面:(1 几何相似, (2 重力相似, (3 材料的力学性能相似, (4 岩体的结 构 (结构面 相似, (5 边界力相似, (6 开挖过程模 拟的相似。然后根据试验结果的相似关系,推算出 岩体的各种力学关系。2.1试件尺寸及范围试验中采用同样尺寸的试件,以同一地域,反 映不同尺度范围的岩体,如图 1所示,以考虑岩体 的尺寸效应。试件是根据三轴试验机的三轴室尺寸大小来确 定的,试件尺寸为 250 mm×250 mm×250 mm。为 尽可能模拟现场较大范围的岩体及其包含的结构 面,试件的几何比尺选择为 =LC 3, 9, 27, 81。其中 =LC 3是模拟岩块,其余均为

10、岩体,相应于岩体 的实际范围是:A :0.750 m×0.750 m×0.750 m;B :2.25 m×2.25 m×2.25 m; 图 1 岩体试验的尺寸效应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材料配比试验中采用地质力学模型材料,试验材料由重 晶石粉、铁粉、石膏、水等混合而成。重晶石粉和 铁粉为加重料,石膏作为胶结剂,水作为拌和剂。 材料的容重相似比为C 1。所选材料的配

11、比及其 力学参数如表 1所示。2.3试件设计三峡工程永久船闸区岩体节理裂隙根据其发育 程度按走向主要可分为 NEE 组、 NNE-NE 组、 NNW-NW 组和 NWW 组等 4组,陡倾角节理占 74.1%。上述 4组结构面与船闸轴线 (称为 x 向 相垂直 的水平卸荷方向 (垂直于开挖边坡的水平方向, 称为 y 向 的夹角分别为 NEE 组:52° NNE-NE 组:8° NNW-NW 组:38° NWW 组:82°。根据文 4的结构面分析, 由于 NWW 向结构面 与 y 向的交角比较大 (接近垂直于卸荷方向 ,当沿 y 向卸荷时,极易引发裂缝的扩展

12、。其次是 NEE 组。 相对而言, NNE-NE 组和 NNW-NW 组与 y 向的交 角小,卸荷时不大敏感。因此,研究岩体的卸荷问 题时,考虑较为敏感的结构面 NWW 向和 NEE 向, 这两组结构面,直接影响到岩体力学特性及岩体卸 荷的力学特性。两组结构面的设计如下:表 1 四种地质力学模型材料配比及力学参数Table 1 Material mix ratio and mechanic parameters of four kinds of geomechanical model配比编号重晶石粉 铁粉 石膏 水 外加剂 (水泥 重度 /kN·m -3抗压强度 /MPa 弹模 /G

13、Pa 备注 A 3.17 2.54 1 2 24.5 36.67 24.0适用于 C L = 3 B 2.43 2.43 1.00 1 28.9 15.72 2.6适用于 C L = 9C 2.39 2.39 0.48 1 30.2 5.50 1.2 适用于 C L = 27D 4.44 2.22 0.67 1 28.1 1.88 0.4 适用于 C L = 81 2034 岩石力学与工程学报 2003年NWW 向:走向 282°, 倾角 73°, 间距 2 m, 连 通率 50%,与 y 轴交角 82° 。 NEE 向:走向 73°,倾角 73

14、6;,间距 2 m,连通 率 50%,与 y 轴交角 52°。结构面设计如图 2所示。 图 2 结构面设计 Fig.2 Design of structural plane2.4 试验加、卸载选择三峡工程永久船闸边坡的闸室直立墙段为 代表墙段,此区域岩体初始地应力 x (闸轴向 、y (卸荷方向 和 z (垂直方向 分别为 4, 9和 3.6MPa 5。 试验中按不同相似关系进行设计, 如 =L C 27时,试验设计值为 0.15, 0.33, 0.13 MPa。即首先 将地应力 x , y , z 分别加至 0.15, 0.33, 0.13 MPa ,然后维持 x 和 z 不变;

15、y 方向卸荷,荷载 分 6级卸完,并且卸荷至零后,继续施加拉应力至 岩体破坏。试验是在专门为岩体卸荷试验而设计的三轴机 上进行的,其中一个方向上可实现拉应力,它是通 过试件的两端面采用高强粘结剂与试验机的连接件 粘结来实现的 4。3 试验结果及其分析3.1 不同尺寸条件下岩体试件的应力 -应变关系通过试验,得到了不同尺寸范围岩体试件卸荷 的应力 -应变关系曲线。 为便于分析与比较, 将各种 尺寸岩体试件卸荷的应力应变关系绘于图 3中。图 中 A , B , C , D 分别对应于相似关系为 3, 9, 27, 81的试件,试验结果经相似关系转换到原型。从图中可以清楚地看出,当试件的模拟范围较

16、小时,如 =L C 3(A 组,相当于岩块试件 ,试件卸荷图 3 不同几何相似尺度下的卸荷曲线 Fig.3 Unloading curves for different similarity sizes过程的应力 -应变关系曲线的曲率比较小;曲线较陡,也就是试件卸荷过程中的塑性变形量较小,破 坏时的拉应变也相对较小;当试件的模拟范围增加 时,如 =L C 9(B 组,试件含有结构面 ,试件卸荷过 程的应力 -应变关系曲线显然不同。当荷载较小时, 其应力 -应变关系比较接近于 A 组试件。 随着卸荷量 增加,应力 -应变关系偏离 A 组试件的曲线逐步加 大。这说明试件中有结构面时,对卸荷作用的敏

17、感 性亦增加,原因在于卸荷过程中由于结构面的放松、 起裂与扩展而产生附加的塑性变形。试件破坏时其 拉应力较 A 组小,但拉应变较大;当试件的模拟范 围进一步加大, 如 =L C 27时, C 组试件内含结构面 数目增加, 包含有大的或薄弱的结构面可能性加大, 试验对卸荷的敏感性增强,卸荷过程产生更大的附 加塑性变形,曲率加大,曲线变缓,与 A 组试件偏 离更远。但当试件的模拟范围达到 20 m以上时 (D 组,=L C 81 ,此时, D 组曲线与 C 组曲线的偏离程度 明显小于 C 组曲线与 B 组曲线的偏离程度。 这说明, 当试件的模拟范围大于 6 m以上时,卸荷过程的应 力 -应变关系比

18、较接近, 也就是说岩体试件达到一定 尺寸范围时,其尺寸效应即基本趋于稳定。 3.2 抗压强度与尺寸的关系抗压强度是岩体力学研究中的一个十分重要的 力学指标。抗压强度随岩体尺寸范围的变化而变化, 根据不同尺寸岩体的模拟试验结果如图 4所示。通 过图 4可以看出,抗压强度随岩体尺寸的变化而变 化。当岩体尺寸比较小时,岩体的抗压强度较高; 当岩体的尺寸较大时,则其抗压强度随之减小。这 表明,当岩体随着尺寸的加大,岩体内包含的结构第 22卷 第 12期 李建林等 . 卸荷岩体的尺寸效应研究 2035 面或薄弱环节较多,由于这些节理裂隙的存在,极 大程度上降低了岩体的强度。 图 4 抗压强度与尺寸的关系

19、Fig.4 Relation between compressive strength and size当岩体尺寸 L >6.75 m时 (=L C 27 ,其抗压强 度逐渐趋于稳定,此时,岩体的抗压强度是未含结 构面抗强度的 60%左右。 3.3 抗拉强度与尺寸的关系岩体的抗拉能力较弱,一般为抗压强度的 10%左右。抗拉强度也是岩体稳定分析中的一个非常重 要的力学参数, 它直接影响到岩体数值分析的结果。 试验中,岩体试件的抗拉强度随试件的模拟范围变 化而变化,试验结果如图 5所示。 图 5 抗拉强度与尺寸的关系Fig.5 Relation between tensile strengt

20、h and size从图 5可以看出,试件的几何比尺 (模拟范围 小时, 岩体的抗拉强度高。 最高为岩块的抗拉强度, 其值为 7.6 MPa(实际岩石试件, 圆柱形 54 mm; 当 相似关系 =L C 3时 (模拟岩块试件比实际岩石试件 大数倍 , 抗拉强度降为 4.8 MPa; 当相似关系 =L C 9时,抗拉强度下降为 2.6 MPa,降约 40%;当相似 关系 =L C 27时,抗拉强度下降为 1.4 MPa,降约 75%; 当相似关系 =L C 81时, 抗拉强度为 1.3 MPa, 降低约 85%。试验表明,随着岩体尺寸的加大,岩 体的抗拉强度逐步降低, 尤其是对含有裂缝的试件,

21、对卸荷十分敏感, 抗拉强度降低速度更快。 当 L C >27时 (岩体尺寸 L >6.75 m时, 岩体抗拉强度的变化 基本趋向稳定。 当 L C >81时 (岩体尺寸 L >20.25 m时,岩体抗拉强度趋于稳定。此时的抗拉强度 =L R 1.3 MPa。3.4 变形模量随尺寸的变化岩体的变形模量有受压变形模量、受拉变形模 量、卸荷过程的变形模量等几种。现将各种岩体尺 寸条件的变形模量列于表 2中。表 2 变形模量随尺寸的变化Table 2 Variation of deformation modulus with size岩体尺寸 /m 受压变形模量 /GPa受拉变

22、形模量/GPa初始卸荷变 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从表 2可以清楚地看出,岩体的各种变形模量 随着岩体尺寸加大而明显降低。受压变形模量在尺 寸大于 6.75 m(=L C 27 时,才基本趋于稳定;卸荷 初始变形模量也是如此。受拉变形模量对尺寸的反 应稍敏感一些,但当岩体尺寸达 20.25 m(=L C 81 时,也趋于稳定。因此各种计算

23、时岩体的变形模量 以 =L C 81时的试验结果为宜。 3.5 泊松比随尺寸的变形根据试验,可以得到岩体的泊松比,试验中岩 体的泊松比随尺寸的变化如图 6所示。图 6 岩体泊松比随尺寸的变化Fig.6 Variation of Poission s ratio of rock mass with size从图 6可以看到,泊松比随着岩体尺寸加大而 增加。对无结构面的试件,其泊松比较小,一旦有 结构面存在其泊松比迅速加大。但当 L >6.75 m (=L C 27 时,泊松比变化趋于稳定。因此,泊松比 2036 岩石力学与工程学报 2003年表 3 各种力学参数值Table 3 Diffe

24、rent kinds of mechanical parameters变形模量 /GPa泊松比抗压强度 /MPa受压受拉 抗拉强度 /MPa卸荷初始变形模量 /GPa受压 受拉 8035151.3260.360.38也与岩体尺寸有关, 只有当岩体尺寸达到一定值时, 泊松比才趋于稳定。受压状态与受拉状态变化规律 及大小基本一致。3.6 各向异性与岩体尺寸的关系卸荷岩体的各向异性是十分明显的 4, 610,其 与岩体尺寸的变化如图 7所示 (以强度为例 。图中,0表示各向同性抗拉强度, i 表示各向异性抗拉强度。从图中可以看出,各向异性也随尺寸的加大而 加大。试件一旦有结构面,其对岩体各向异性的影 响是很大的,且当 =L C 27(=L 6.75 m时,才趋于 稳定。因此只有岩体尺寸大于一定范围时岩体各向 异性的变化才趋于稳定。 图 7 各向异性与岩体尺寸关系Fig.7 Relation between anisotropy and size of rock mass4 结 论(1 通过上述试验研究分析表明,岩体的应力 -应变关系、抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松 比以及岩体的各向异性等均随着岩体的尺寸变化而 变化, 也即随着尺寸的加大而降低。 其中抗压强度、 受压变形模量、卸荷初始变形模