工程巖體力學(xué)參數(shù)狀態(tài)相關(guān)性初步分析及應(yīng)用

梅松華，趙海斌

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014；3.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434)

0 引 言

工程建設(shè)中，作為地基或建筑材料的巖石是經(jīng)歷了多期次復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造作用和淺表生改造的地質(zhì)體，其內(nèi)發(fā)育了眾多不同性質(zhì)、規(guī)模和方向的結(jié)構(gòu)面，且賦存于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境(地應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和地?zé)釄?chǎng)等)中。受巖性、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境的綜合影響，巖體力學(xué)性質(zhì)具有顯著的空間變異性，具體表現(xiàn)為不連續(xù)、非均勻、各向異性和非線性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)與巖體結(jié)構(gòu)的空間展布狀態(tài)密切相關(guān)。隨著工程的興建，工程巖體賦存環(huán)境和荷載條件(自然的和人工的)將發(fā)生變化，并開始其復(fù)雜的時(shí)間相關(guān)性演化。工程巖體所處狀態(tài)的不同，其力學(xué)性質(zhì)也不一樣，因此，表征巖體力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)具有明顯的狀態(tài)相關(guān)性特征。

影響工程巖體力學(xué)性質(zhì)的因素非常復(fù)雜，與狀態(tài)相關(guān)的主要可以歸納為：巖體應(yīng)力狀態(tài)、加載與卸載狀態(tài)、飽和與非飽和狀態(tài)、擾動(dòng)與非擾動(dòng)狀態(tài)、空間狀態(tài)與時(shí)間狀態(tài)。時(shí)間狀態(tài)中包含靜荷載長(zhǎng)期作用、動(dòng)荷載作用以及環(huán)境狀態(tài)的變化(干濕循環(huán)、溫度變化等)；空間狀態(tài)包含巖體結(jié)構(gòu)的空間展布形態(tài)和荷載作用方式。實(shí)踐證明，巖體在高應(yīng)力狀態(tài)下呈明顯的非線性特征；巖體的加載模量低于卸載模量；巖體強(qiáng)度隨水飽和度而變化；巖體力學(xué)參數(shù)具有尺寸效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)；遠(yuǎn)離自由面的未擾動(dòng)巖體，其力學(xué)參數(shù)的取值與臨近自由面(如掌子面、洞壁、坡面等)受擾動(dòng)巖體力學(xué)參數(shù)的取值大不一樣，后者呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的各向異性，垂直于自由面的受擾動(dòng)體中的變形模量和強(qiáng)度參數(shù)明顯降低。

表1 工程巖體系統(tǒng)狀態(tài)初步描述

長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)合理選取巖體力學(xué)參數(shù)作了大量工作，提出很多分析方法和經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則[1-5]。綜合起來(lái)大致可分為3種類型：第1類是基于巖石力學(xué)試驗(yàn)值，結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行綜合取值；第2類是按工程巖體分級(jí)(類)，結(jié)合工程類比進(jìn)行取值；第3類是按經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則進(jìn)行取值。這些方法主要是針對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的某些影響因素來(lái)進(jìn)行的，還沒(méi)有系統(tǒng)地研究工程巖體的狀態(tài)特征及其相關(guān)性。工程設(shè)計(jì)中，通常采用統(tǒng)一取值方法，對(duì)整個(gè)工程區(qū)，按不同的地質(zhì)單元給出巖體力學(xué)參數(shù)，而地質(zhì)單元的劃分主要考慮巖性、巖體的完整性和風(fēng)化程度等因素。這種取值方法弱化了巖體力學(xué)性質(zhì)的狀態(tài)相關(guān)性，越來(lái)越不滿足工程需求。

巖體力學(xué)參數(shù)的取值是與其狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的，這就要求在進(jìn)行巖石工程分析時(shí)，需要獲取一個(gè)隨著時(shí)空狀態(tài)變化的巖石力學(xué)參數(shù)場(chǎng)，而不僅僅是幾個(gè)離散的確定值。結(jié)合巖體所處狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)參數(shù)取值研究，可以提高參數(shù)取值的合理性。

1 工程巖體力學(xué)參數(shù)影響因素分析

工程巖體是在工程作用范圍內(nèi)具有一定的巖石成分、結(jié)構(gòu)特征及賦存于某種地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。首先，巖體具有結(jié)構(gòu)狀態(tài)，即物質(zhì)構(gòu)成與空間展布形態(tài)；其次，巖體處于不同的地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)中，其原巖應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)不同，風(fēng)化、卸荷程度也不同；第三，工程巖體受工程活動(dòng)的作用，巖體特性、環(huán)境狀態(tài)和荷載條件又會(huì)發(fā)生變化，在工程全生命周期內(nèi)，巖體處于工程作用狀態(tài)中。如果將工程與巖體相互作用定義為一個(gè)系統(tǒng)，那么，這三種狀態(tài)表明了工程巖體系統(tǒng)所處的狀況。

工程巖體力學(xué)參數(shù)的主要影響因素包括[6]巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)、地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)以及工程作用狀態(tài)，每一種狀態(tài)都會(huì)許多因素構(gòu)成(見表1)。工程巖體有些狀態(tài)因素還會(huì)隨時(shí)間變化，也就是說(shuō)，工程巖體力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨系統(tǒng)所處狀態(tài)的變化而改變。

工程建設(shè)所涉及的巖體是由不同巖石材料組成的、含有各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的非均質(zhì)、各向異性的不連續(xù)體。由于不同的巖體工程分布在從地表到地下深部巖層的不同位置，工程巖體所處狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜。工程巖體表現(xiàn)的性態(tài)受到多種狀態(tài)因素的影響，而且不同因素的影響效應(yīng)是不同的。因此，研究工程巖體的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)該充分考慮巖體所處的狀態(tài)，在巖體工程穩(wěn)定分析中，其力學(xué)參數(shù)取值與狀態(tài)相關(guān)。

2 工程巖體狀態(tài)分類

工程巖體的狀態(tài)主要可以分為巖體結(jié)構(gòu)、賦存地質(zhì)環(huán)境及工程作用等三大類。結(jié)構(gòu)體(巖石)是巖體的基本組成部分，結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性質(zhì)反應(yīng)巖體力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)體對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)取值具有控制作用；其次，巖體結(jié)構(gòu)面存在形態(tài)也對(duì)巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)存在較大影響，主要表現(xiàn)在巖體的爬坡角效應(yīng)、尺寸效應(yīng)及各向異性效應(yīng)等方面；同時(shí)巖體地應(yīng)力場(chǎng)、孔隙水壓力、溫度應(yīng)力、卸荷條件等賦存條件和巖體組成成分一樣左右著巖體力學(xué)特性；工程巖體受工程活動(dòng)的作用，巖體特性、環(huán)境狀態(tài)和荷載條件又會(huì)發(fā)生變化，在工程全生命周期內(nèi)，巖體處于工程作用狀態(tài)中。

3 工程巖體狀態(tài)表述

巖體的狀態(tài)因素對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)的影響是客觀存在的，工程巖體環(huán)境狀態(tài)的表述將直接影響到巖體力學(xué)參數(shù)取值問(wèn)題。工程巖體狀態(tài)的表述是巖體結(jié)構(gòu)主要采取巖體完整性及結(jié)構(gòu)面特征等指標(biāo)定性與定量相結(jié)合進(jìn)行表述；巖體賦存地質(zhì)環(huán)境主要通過(guò)地應(yīng)力場(chǎng)、孔隙水壓力(滲流場(chǎng))及溫度應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行定量表述；巖體工程作用主要根據(jù)工程荷載作用的時(shí)間、方式及類型進(jìn)行綜合表述。

3.1 巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)表述

3.1.1 巖體完整性

可以用動(dòng)力法測(cè)定巖體完整性系數(shù)Kv，即

(1)

式中，Vml為巖體彈性縱波速度，km/s；Vcl為巖石彈性縱波速度，km/s。

巖芯質(zhì)量指標(biāo)RQD是長(zhǎng)度在10 cm(含10 cm)以上的巖芯累計(jì)長(zhǎng)度占鉆孔總長(zhǎng)的百分比。

3.1.2 巖體結(jié)構(gòu)面

結(jié)構(gòu)面是巖體形成和地質(zhì)作用的漫長(zhǎng)歷史過(guò)程中，在巖體內(nèi)形成和不斷發(fā)育地質(zhì)界面，在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論中視為不連續(xù)面。

巖體結(jié)構(gòu)面：①結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀表征結(jié)構(gòu)面的空間位置的參數(shù)，包括走向、傾向和傾角。②結(jié)構(gòu)面間距是同組結(jié)構(gòu)面之間的距離，通常用平均值表示。③結(jié)構(gòu)面密集程度以巖體裂隙度K(指沿取樣線方向單位長(zhǎng)度上的節(jié)理數(shù)量)和切割度Xe(巖體被節(jié)理割裂分離的程度)來(lái)表征。④結(jié)構(gòu)面充填物及張開度是結(jié)構(gòu)面兩個(gè)相對(duì)面之間的寬度及充填物質(zhì)的性質(zhì)。⑤結(jié)構(gòu)面粗糙度JRC為較小一級(jí)的凹凸不平程度，參考典型JRC剖面確定。

3.2 地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)表述

地質(zhì)環(huán)境狀況：①自重應(yīng)力場(chǎng)是由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)。②構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的應(yīng)力場(chǎng)。③孔隙水壓力是由水的自重形成的滲流場(chǎng)產(chǎn)生或作用在土體單元上的總應(yīng)力發(fā)生變化導(dǎo)致的。④巖體溫度應(yīng)力巖體隨地殼中溫度變化發(fā)生熱脹冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。⑤巖體卸荷帶是由于自然地質(zhì)作用和人工開挖使巖體應(yīng)力釋放而造成的具有一定寬度的巖石松動(dòng)破碎帶。

3.3 工程作用狀態(tài)表述

工程作用狀態(tài)：①擾動(dòng)。對(duì)巖體結(jié)構(gòu)原狀進(jìn)行的人為改變的行為。②靜荷載。不隨時(shí)間變化的恒載(如自重)和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準(zhǔn)靜載。③動(dòng)荷載。短時(shí)間快速作用的沖擊載荷、隨時(shí)間作周期性變化的周期載荷和非周期變化的隨機(jī)載荷。④荷載時(shí)效。在長(zhǎng)期荷載作用下工程巖體隨時(shí)間變化的力學(xué)變形特性。

4 考慮狀態(tài)相關(guān)性的工程巖體力學(xué)參數(shù)取值一般思路

合理確定巖體力學(xué)參數(shù)一直是巖土工程界的重要研究課題，許多學(xué)者基于大量工程實(shí)踐，提出了多種確定巖體力學(xué)參數(shù)的研究思路，研究手段包括現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)描述、物理試驗(yàn)、數(shù)值仿真試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)分析法等等。

為確定工程巖體的力學(xué)參數(shù)，需要通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)巖體所含結(jié)構(gòu)面的不同及結(jié)構(gòu)體特性的差異，選取具有代表性的不同尺寸的巖塊和結(jié)構(gòu)面，進(jìn)行不同狀態(tài)下的系列室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)，建立狀態(tài)因素相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)影響系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)而確定巖體力學(xué)參數(shù)取值。

4.1 以扎實(shí)的工程地質(zhì)勘查和分析為基礎(chǔ)

扎實(shí)的工程地質(zhì)勘查和分析是合理確定巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)。在查明工程巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)巖體力學(xué)試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控進(jìn)行合理的部署和設(shè)計(jì)；一方面要詳細(xì)地了解巖體的地質(zhì)特征，使整個(gè)工作具有明確的目的性和足夠的代表性；另一方面，要全面地了解建筑物的特點(diǎn)及其與巖體的相互關(guān)系，使研究工作具有明顯的工程針對(duì)性。

4.2 試驗(yàn)、監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合

試驗(yàn)通常包括室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其原理、方法基本相同，只是尺寸不同。充分利用室內(nèi)試驗(yàn)作為巖體力學(xué)參數(shù)確定的重要參考，可以在保證取樣的代表性、試件數(shù)量足夠多、試驗(yàn)環(huán)節(jié)原狀性等采取相應(yīng)的措施；另外，經(jīng)過(guò)大量資料的收集整理，可以初步建立起室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；而且，還要把典型地質(zhì)單元巖體力學(xué)試驗(yàn)與巖體結(jié)構(gòu)地質(zhì)研究結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)研究，對(duì)成果進(jìn)行綜合分析、評(píng)價(jià)，從而給出大致可以表征工程巖體的力學(xué)性質(zhì)。而實(shí)際巖體的力學(xué)性質(zhì)，還可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)原型觀測(cè)和監(jiān)控進(jìn)一步探索。在施工過(guò)程中，對(duì)巖體變形、應(yīng)力進(jìn)行觀測(cè)和監(jiān)測(cè)，通過(guò)反分析進(jìn)一步研究巖體的變形及應(yīng)力特性。

4.3 針對(duì)實(shí)際工程規(guī)模和特點(diǎn)具體分析

根據(jù)工程規(guī)模、重要性、影響力等因素，在技術(shù)可行、滿足工程精度要求、經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上選取一種或幾種取值方法制定不同的取值方案：①對(duì)于大型、特大型工程應(yīng)采用綜合方法評(píng)估巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)原位大剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用工程地質(zhì)類比法、理論公式法以及位移反分析方法。各種方法相互映證，提出合理的巖體力學(xué)參數(shù)值，以確保重要工程安全。施工和使用過(guò)程中還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，采用合適的方法進(jìn)行跟蹤計(jì)算，采取相應(yīng)的措施。②對(duì)于中小型常見工程，由于資金、工期、技術(shù)投入等方面的限制，參數(shù)取值可以從工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取適量有代表性的試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，在試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)取值；或者在少量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，利用工程地質(zhì)類比法綜合取值；或者根據(jù)監(jiān)測(cè)資料采用反分析方法確定強(qiáng)度參數(shù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)利用工程地質(zhì)類比法取值；或者通過(guò)工程地質(zhì)類比法與經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)取值，并相互驗(yàn)證，選取合理參數(shù)。此外，按影響工程穩(wěn)定性的實(shí)際要求，對(duì)c值、φ值的測(cè)量重點(diǎn)分開考慮。③針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域巖體力學(xué)參數(shù)的精度要求不同。邊坡對(duì)巖體抗剪強(qiáng)度取值精度要求比隧道高，因?yàn)檫吰路€(wěn)定性主要由結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度控制，而隧道的穩(wěn)定性主要取決于巖體強(qiáng)度。

4.4 采用動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)理念

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)而言的，主要是指在施工過(guò)程中依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和監(jiān)控量測(cè)獲取工程與巖體相互作用的動(dòng)態(tài)反饋信息、并及時(shí)對(duì)原有工程設(shè)計(jì)(或預(yù)設(shè)計(jì))進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整的設(shè)計(jì)方法。這一設(shè)計(jì)理念和方法實(shí)現(xiàn)工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工，即“初步設(shè)計(jì)→施工→現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)→反演分析→調(diào)整計(jì)算參數(shù)、模型→再設(shè)計(jì)”這一循環(huán)過(guò)程，體現(xiàn)了工程與巖體的動(dòng)態(tài)交互影響和“人與自然和諧”的思路，對(duì)巖石工程項(xiàng)目安全、高效施工起到了積極作用，目前在工程設(shè)計(jì)中越來(lái)越受重視。

總之，不同類型的工程巖體面臨的地質(zhì)環(huán)境和工程環(huán)境較為復(fù)雜，沒(méi)有任何一種巖體參數(shù)取值方法具有普適意義。因此，需要針對(duì)具體工程地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)面特征，考慮關(guān)鍵的環(huán)境狀態(tài)變量，以實(shí)測(cè)獲取方法為主，以工程地質(zhì)類比法和專家經(jīng)驗(yàn)判斷為輔，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及數(shù)值分析方法，對(duì)工程巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行綜合判斷和動(dòng)態(tài)取值。

5 考慮結(jié)構(gòu)面效應(yīng)的拱壩壩肩巖體變形參數(shù)取值

拱壩壩肩巖體的變形與穩(wěn)定性是關(guān)系到大壩建設(shè)成敗的關(guān)鍵問(wèn)題之一。影響壩肩巖體變形與穩(wěn)定性的主要作用來(lái)自于拱座傳遞給壩肩巖體的推力。在強(qiáng)大的拱座推力作用下，壩肩巖體沿推力方向會(huì)引起相應(yīng)的壓縮變形，導(dǎo)致拱端巖體開裂(如圖1)；同時(shí)也會(huì)引起推力作用下方的巖體出現(xiàn)抗滑失穩(wěn)問(wèn)題。由于無(wú)論是壩肩巖體的開裂，還是壩肩巖體滑移失穩(wěn)，都是壩肩巖體出現(xiàn)過(guò)大變形造成的。因此合理評(píng)價(jià)壩肩巖體在拱座推力作用下的變形特性顯得尤為重要。壩肩巖體在拱座推力作用下變形量的正確計(jì)算主要受控于巖體變形參數(shù)的合理選擇。

圖1 拱壩壩基的大變形破壞

圖2是最常見的拱壩壩肩巖體結(jié)構(gòu)組成與拱座推力關(guān)系。由圖2可見，在層狀巖體中，拱座壩肩(基)巖體結(jié)構(gòu)面與拱座推力方向總會(huì)存在一定的夾角。在常規(guī)的有限元變形分析時(shí)，一般沒(méi)有考慮拱壩壩肩巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)變形參數(shù)取值影響，而采用一個(gè)統(tǒng)一的、等效的變形模量來(lái)分析壩肩巖體在推力作用下的變形。研究可知：對(duì)于層狀結(jié)構(gòu)巖體，變形特性及參數(shù)的大小與荷載作用方向有關(guān)。因此，一旦拱座建基面幾何關(guān)系確定下來(lái)后，應(yīng)考慮實(shí)際荷載作用方向結(jié)合巖體變形的各向異性特征來(lái)確定合理的變形參數(shù)。

圖2 拱壩壩肩巖體受力方向

對(duì)于圖2a所示的壩肩巖體，不考慮其他結(jié)構(gòu)面的影響，根據(jù)陡傾巖層與拱肩建基面的夾角(約20°)，結(jié)合巖體變形模量與巖層傾角關(guān)系，該壩肩巖體進(jìn)行變形分析的變形模量推薦值為10.67 GPa；對(duì)于圖2b所示的陡傾巖層與拱肩建基面夾角約50°，巖體變形模量取9.97 GPa。這表明，圖2b所示壩肩巖體的變形量顯然要大于圖2a巖體的變形量。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以狀態(tài)描述了工程巖體的天然產(chǎn)出、賦存環(huán)境和工程作用，力求真實(shí)反映巖體在相關(guān)狀態(tài)的力學(xué)特性，為工程巖體力學(xué)參數(shù)取值這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開辟了新的研究途徑。但由于工程巖體系統(tǒng)及其狀態(tài)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其力學(xué)參數(shù)取值存在很多的困難，需要深入認(rèn)識(shí)其中所存在的問(wèn)題，借助先進(jìn)測(cè)試設(shè)備、試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)學(xué)力學(xué)最新研究成果，研究對(duì)工程巖體參數(shù)取值有影響的各種狀態(tài)因素，從而提高參數(shù)取值的合理性和準(zhǔn)確性，使工程設(shè)計(jì)達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

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