基于数值参数选取的岩石力学试验已发

基于数值分析参数选取的岩石力学试验闫振陆阳秦浩张华（西南交通大学土木工程学院成都610031）摘要：工程岩体力学参数的合理确定是岩石力学界存在的一大难题。针对山区修筑公路常遇开挖自然斜坡坡脚而诱发边坡失稳的情况，对某边坡的岩石进行常规及三轴试验，结合野外工程岩体结构特点及相关经验性资料，以获得边坡稳定分析的岩石力学参数。用这些参数对开挖边坡作非线性有限元分析，所确定的岩石力学参数提高了数值建模的合理性和分析的准确性。关键词：边坡；岩石力学参数；岩石力学实验；数值模型DetermineMechanicalParametersofRockMassesforNumericalanalysisBasedonMechanicsExperimentYanZhen,LuYang,QinHao,ZhangHua(SchoolofCivilEng.,SouthwestJiaotongUniversity,,Chengdu610031,China)Abstract:Acontinuitymodelofengineeringrockmassesisbuilt.Theschematizationmethodofthecontinuityofengineeringrockmassisreported.Atmountainareasthenaturalslopefailureoftenoccurreafterconstructionofhighways.Conventionaltestsandclaytestsfromasampleillustrationwereconductedwhichcombinethefieldfeaturesofengineeringrockandsomeexperimentaldatainordertoobtainthecomputationparametersforslopestabilityanalysis.Thecalculationresultsareprovidedfornonlinearfiniteelements(FEM)foranalysisofexcavatedslope.Theresultsshowedthatitiseffectiveandreasonablewaytodetermineparametersofengineeringrockmasses.Keywords:slope，mechanicalparametersofrockmasses，mechanicsexperimentofrockmasses,numericalsimulation引言随着西部山区建设公路项目的增多，山区修筑公路不可避免会出现开挖边坡，削坡改变了斜坡自然平衡条件，由于坡体上缘表层多为孔隙较大风化严重的破碎岩石，地表水易渗入滑体，导致岩体强度下降，开挖后边坡易失去平衡状态而导致滑坡。非线性有限元方法是对开挖边坡进行稳定性分析的有效方法。但如何合理确定工程岩体的力学参数，是岩石力学研究中的一大难题。该原因涉及到工程岩体的连续性问题，即一方面认为工程岩体是非连续性介质，另一方面所用的力学理论又属于连续介质力学，这是一个棘手的矛盾。本文以山区公路某段开挖边坡的岩石力学参数确定方法为例，采用室内试验成果，结合野外调查及相关经验性资料，分析和确定所研究岩体的力学参数。边坡岩体力学参数确定2.1野外调查边坡的工程地质特性某边坡桩号K132+480～+562,上缘海拔约m，下缘（公路一侧挡土墙顶）海拔m，相对高差约为78m，。地面横坡平均约45度，其开挖边坡位处区域昔格达深大断裂带，那尔坝断层（F7）与路线斜交，断层下盘为砂泥岩互层。断层破碎带由泥岩、碳质泥岩及细砂岩组成，断裂切割密集，裂隙几乎无粘结力，岩体强度低。经现场考察，估计断层破碎带岩体质量指标（RQD）为10～25％，断层下盘砂泥岩岩体质量指标为50％以上。坡体中上部植被发育，下临安宁河。该边坡表层为砂质泥岩强风化带，中间为泥质砂岩中风化带，基层为凝灰岩中风化区，中间层与基层之间夹有一层厚度为1米左右的软弱夹层，断层破碎带在第五级坡面通过，宽度不均匀，平均宽度约10米。受那尔坝断层的影响，岩层节理发育，挤压破碎，为典型的碎结构裂岩质边坡。2.2室内常规及三轴实验为获取该边坡处分属不同岩层的岩石的相关性质及力学参数，以便进一步深刻揭示岩石的力学性质，准确合理地建立有限元数值模型，需要进行岩石力学试验。根据要求，钻孔施工时，对取出的岩样进行了筛选采集，以进行室内试验研究，测试岩石和结构面的强度参数和变形参数。经过现场鉴定，该处岩石以不同钻孔不同深度分别为砂质泥岩、泥质砂岩、凝灰岩等。门岩石常规映试验结果丢根据现场塑观察和实疾验结果，绞可分析知富该边坡处晴山体破松碎标,院岩石风化户明显，物唉理力学指尤标显示：揉岩石密度湾在跪2.57度g/cm液3陶～沟2.56星g/cm蓝3掀之间，饱科和吸水率紧在绸1.9第9晚％择～妖2.4戒8纺％之间，管干抗压强赔度溉在墙40.0剪MP窜a最～旗36.2控MP滔a欲之间，湿俊抗压强度金在倍26.2擦MP袭a溉～位23.3恐MP蝶a亦之间，软与化系数罩为留0.6未5疾，湿抗压蚂强度降低昂明显，岩欺石存在软咽化现象。励从而证明充该边坡处户岩石属于型较差类岩报石。氏低盲孟碑奥鼠其它岩石天物理力学坑指壁标臣辣免惭碍旧表北(喷1)时野图壳外鉴嫌编笛介号与(老取垂句样秃发位赞大置非)悉室内岸编号毯烘寿篮干岂密丸兔度踏(废g/cm述3昌)孔比往绑重嫁普列颠馅通它吸水率丽(鼻%)哗饱桃青谜和它吸水率客(勿%)伯弹佛垒性穿模具灭量贼(未GPa)规泊松比弱干抗拉饼强逮晨涂度糊(稠MPa)弟湿抗拉乳强榨般辈度镇(闷MPa)业软子栏化窄系贿钥数倦1拨1灶2.57篇2.56钳2.56景2.73布1.81死2.22锣2.37纤1.99渡2.31蹲2.48扬8.15润8.10面8.00财0.28卷2.90朵2.85偏2.70鉴1.88轰1.75即1.54黄0.65双2.2.轧2赖室内岩石拥三轴实验恶通过实验锈获的不同悲围压下岩眯石的抗压谱缩强度。吨由该实验耀可以得出锅确定强度运包络线所盲需的必要幻数据，同炮时结合已桌测定出的靠岩石的单妇轴抗拉强跪度和单轴誓抗压强度翼，计算出编内摩擦角流和内聚利力拥C揉。棕施加预定挑的围压，蜂加压速度庭宜控制逼在掏50钟kpa/蠢S鲁左右，以滨保持围压阵稳定，围药压的变形匆范围不得抬超过预定带值泰的畜2接%译。然后亭以旦0.5伯MPa/裳S叹的速度施断加轴向荷颜载，直至肚破坏，记季录破坏时蜻的最大荷北载（包括文峰值强度胡和残余强宇度）及相厅应的围压赌值（每块怀试样对应快一个破坏幻时的最大王荷载及相写应的围压抓值）熊。录丛见表牺（谎2改）。根据痕极限轴向归应力互和围岩责求岩石的饶内摩擦角耻（店）和内聚截力配（痕C兆）：略图记（歼1威）第一组圾岩石峰值巡应力莫尔筹圆榆图价（旬2阁）第二组亡岩石峰值枝应力莫尔厚圆锯绘制应蜘力别-岁应变全过每程曲线，痒见图膊（映3愧）、图悉（视4林）锐：盛各图纵（寻3映）第一组胃岩石应形力护-衣应变全过格程曲线猪图陶（赴4骑）第二组酬岩石应清力标-沫应变全过把程曲线恋岩昏谅石接梳三现雅轴竹蛾试猾州验蹈纸成碑眨果瞎纵表贼先包茶跪表逼（匠2宰）虽室内压编号妙试迎件件状处丑喝理斗试件柳编号凳侧压奇σ梢3敏（吗MP断a刮）剩弹性粪模量蜡（裂GP根a炎）估变形颂模量群（秘GP巡a重）越峰值康强度铸（症MP拆a武）道残余拼强度腊（板MP超a阀）充备洋葵管注黎1扛烘干辞1-1家0无8.16大7.63允36.2亭15.5意1-6汁2.0黄17.4戒13.0滚51.8料31.0稍1-5轿4.0拴19.4侍12.0沟56.9船51.8脂1-2使6.0晚26.0艳17.3墙67.3虚56.9那1-3币8.0种28.0获21.2害129川72.5胀2占烘干祥2-1凭0顶7.70瞒5.14锦30.0维10.3陪2-5喊0妹8.50派6.45发32.5臭15.0扁2-2跳3.0踪18.1剪12.0爬46.6怒46.6种2-4筐6.0除26.1速18.9怖88.0押72.5惧2-3拖9.0鹅28.8刃24.8元129环98.3乐参考《岩确石力学参栗数手册》详，结合表株（宏2杀）经计算缺、修正得印到相关力岔学参数义：永时剂耍赞瓦岩易浙石钱蹈抗歌肝剪衬摘强鸡惰度还自督为表老（脱3略）括编号猾试艇掩件犹状春磨态拜强度极限撕特曾勿征姜缸点沟应力莫尔荐圆法强度危参数兄φ拔(乒°)头t妈g惯φ养C(M都P饼a)旦1红烘土箱干络峰值飘45.0润1.00搅5奴残余们42.0驻0.90喝1偷2点烘音慈干愈峰值正48.0遵1.11绸4售残余竞44.0步0.97雹1屡由实验结中果，当围胡压麦σ乐3懒≤衣9.0M堡P宇a鄙时，两组马岩石的弹天性模量、五变形模量涨随着围压带的升高，砖有较为明咐显的增长众趋势。两水组岩石的肢峰值应力残强度、残爽余应力强拥度均随围秤压的升高朋而呈十分芽明显的增唐大趋势。绘故可以认臭为围压效亦应对这两霸组岩石的毙力学指标孙有明显的幸影响。而眉且在围压练σ施3然≤佣9.0M谁P限a众时，这两够组岩石的剂破坏形式净几乎不随腥围压增加冶而改变，决大部分试厦件均沿陡辆倾的结构狮面破坏，稠且试件破叨坏后呈鼓枣形。塌两组用于没岩石三轴乓强度试验次的试件均再呈风化状涌态，试件所不均匀地铸分布风化糟锈斑及裂共隙，尤其挽第二组试负件含有丰迟富的裂隙韵，辨节理、弱队层面、弱牵片理面、仔软弱带等狼不同类型片的结构面匙。匹由于风化龙状态及不惠同类型结盾构面的不订均匀分布觉，造成试花验数据存旦在一定的英离散性，愁但对岩石看整体性质虫的评价影模响不大。剪从应力～大应变全过肯程曲线上划可以看出皮，两组岩伏石变形均跑较大，全极过程曲线疮随着围压慰的增加，台有明显的块塑性变形受的趋势。太应力～应灿变关系明神显呈现非步线性关系屋。薪3.笔横开挖边坡斗的有限元店模型分区扁边坡有限征元法就是顽用有限个窑单元体所这构成的离茫散化结构洒代替原来抢的连续体角结构来分孩析土体的碍应力和变签形。有限跌元分析可换以处理复峰杂的边界株条件以及狱材料的非练均匀性和赶各向异抹性灶,杂还可以有君效地模拟偿材料的非阿线性应力阳应变关近系丧,黎得出围岩懒的可能破亡坏部位。罢有限元模尽型的建立介大体上可极分为直接质法及间接议法，直接教法为直接类按照结构留系统的几含何外形建竭立节点及滩单元。而李间接法是维通过点、型线、面、共体积，建忍立结构系旱统的几何萌外形，再尊对实体模披型进行网矿格划分，浮建立有限茂元模型。葡考虑到该逮坡段形状能复杂，所挂以采用间锄接法进行叫实体建模蛛。在边坡朱几何形态壮确定的基棕础上，对脆有限元实拘体模型进锻行网格划键分，其中粥关键的就岛是进行网卖格划分的隆参数设定摔。锈根据边坡兽的地质特唱性，将整咸个边坡模望型共划分纲为七块材吨料，其中烫上部风化裁层厚度美约旬5印m书至橡28m递,馅顺坡向下端部由上至仅下分为强而风化区，膊中风化区化，夹层与滚中风化区猎，中间包嫂含一个断环层。各块望材料位置柿如下图示汪：蒜图魔（拿5愿）肉屋边坡材料榜分区示意筐图台4.焰结论姜本文探讨位确定岩体焰力学参数略的一种有嘱效方法，率即在野外环工程地质永调查、室懂内力学试凑验的基础录上，结合芬相关经验负性资料，会给出某一谣特定工程蔑岩体的力垒学参数，的该方法具执有方便、甘高效、实剥用等优胖点凝,苏克服了单丛纯依靠大涝型试验设头备的不足尸之腹处桥,广经验型资芦料的借鉴丛解决了试螺验选样代夹表性不足搏的问题，露减少了参屿数选取的长盲目性。傻数值建模圆的准确合仇理既依赖荷于模型剖米分的合理鱼性，又取莲决于参数捞选取的准宫确性，可借以说，岩禽体力学参惊数的准确雾确定是进派行精确的匙数值模拟鼓的先决条请件。氧参考文献碑：锈［碍1筛］张季劈如个.央夏边坡开挖容的有限元款模拟和稳浑定性评价侍［丙J纪］延.贱岩石力学榴与工程学型报蚊.200敲2,(6舟):84搞3-84妙7.迷［低2兽］林每清猎.呈公路开挖避边坡的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