向新益,伍東衛(wèi)
(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830091;2.云南公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心,云南 昆明 650000)
節(jié)理分布對(duì)巖體變形試驗(yàn)的影響分析
向新益1,伍東衛(wèi)2
(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830091;2.云南公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心,云南 昆明 650000)
以某水電站壩址巖體現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)為依據(jù),通過(guò)對(duì)比分析兩組巖質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)基本相同的巖體承壓板變形試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及結(jié)果,揭示了節(jié)理的存在和數(shù)量對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)測(cè)試值的影響。在此基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬手段,探討了層面裂縫間距、傾角對(duì)層狀巖體變形模量的影響規(guī)律。研究成果對(duì)提高巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及代表性具有較好的參考價(jià)值。
現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn);節(jié)理分布;變形模量;層狀巖體
巖體變形模量是巖土工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù),也是評(píng)價(jià)壩基、邊坡和地下洞室等工程巖體變形穩(wěn)定性的主要參數(shù)[1]。由于巖體是經(jīng)受復(fù)雜地質(zhì)作用后,具有多種不連續(xù)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體,在工程中通常采用常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)確定巖體的變形模量。由于地質(zhì)構(gòu)造作用的復(fù)雜性,節(jié)理分布具有隨機(jī)性,即使是同一片區(qū)域的巖體,現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)所在區(qū)域的巖體內(nèi)節(jié)理分布也不相同,從而導(dǎo)致所測(cè)的同一區(qū)域巖體的力學(xué)參數(shù)值存在差異。正因如此,如何合理確定工程巖體的力學(xué)參數(shù),成為巖石力學(xué)界一大難題。通過(guò)大量的工程實(shí)踐與研究,何滿朝[2]教授提出了工程巖體的連續(xù)性理論,建立了工程巖體連續(xù)性的概化方法,提出了工程巖體力學(xué)參數(shù)確定的方法,即室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)相結(jié)合。在此基礎(chǔ)上,張占榮[3]、周火明[1]、熊詩(shī)湖[4]等人進(jìn)一步研究了巖體力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)問(wèn)題。尤明慶[5]教授從微觀結(jié)構(gòu)學(xué)的角度解析了巖石室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定值的差異性。但對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定值的差異性目前研究成果較少,本文根據(jù)某水電站巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)結(jié)果,分析了節(jié)理對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)的影響,并基于工程巖體連續(xù)性概化理論,采用承壓板數(shù)值模擬試驗(yàn),探討了巖層面傾角和層面裂縫間距對(duì)層狀巖體現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)的影響。
2.1 工程概況
壩基左右岸主要出露地層分別為奧陶系下統(tǒng)紅花園組(O1h)和大灣組(O1d)。紅花園組(O1h)巖性為厚至巨厚層結(jié)晶灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r,巖體堅(jiān)硬致密,完整性好,結(jié)構(gòu)類型為厚層狀結(jié)構(gòu),飽和抗壓強(qiáng)度RW=65.6~71.7 MPa,屬堅(jiān)硬巖石;大灣組(O1d)巖性為瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r,巖體完整性較好,結(jié)構(gòu)類型為厚層狀結(jié)構(gòu),飽和抗壓強(qiáng)度RW=47.8~53.4 MPa,屬中硬巖石。壩址巖層為單斜褶構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀:走向N53°E,傾向SE,傾角45°。地質(zhì)勘探平硐主要為PD5和PD6。
2.2 巖體現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)
2.2.1 試驗(yàn)方法
巖體變形試驗(yàn)采用圓形剛性承壓板法,承壓面積為2 000 cm2。試件制備和試驗(yàn)嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)程[6]有關(guān)要求進(jìn)行。試驗(yàn)加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法。最大壓應(yīng)力一般為6.0 MPa,均勻分為5級(jí)載荷加壓,加荷后立即測(cè)讀一次,此后每隔10 min測(cè)讀一次。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是:承壓板上所有測(cè)表相鄰兩次讀數(shù)差與同級(jí)壓力下第一次讀數(shù)和前一段壓力下最后一次讀數(shù)差之比小于5%時(shí),即施加或退至下一級(jí)壓力。退壓穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與加壓相同。
2.2.2 試驗(yàn)點(diǎn)布置及基本條件
左岸PD5平洞中巖體變形試驗(yàn)布置了8點(diǎn),其中水平方向5點(diǎn),鉛直方向3點(diǎn);右岸PD6平洞中布置了4點(diǎn),其中水平、鉛直方向各2點(diǎn)。PD5平硐內(nèi)試驗(yàn)編號(hào)依次為E1~E4、E9~E12,PD6平硐內(nèi)試驗(yàn)編號(hào)依次為E5~E8。為排除巖質(zhì)及進(jìn)洞深度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)的影響,選取了(E1、E2)、(E5、E6)二組試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,其巖體表面素描圖分別見(jiàn)圖1~2。
圖1 (E1、E2)組巖體表面素描
圖2 (E5、E6)組巖體表面素描
2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.3.1 試驗(yàn)成果整理
根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制壓力P~變形W之間的關(guān)系曲線,結(jié)合曲線類型,按試驗(yàn)規(guī)程[6]有關(guān)要求,運(yùn)用公式(1)計(jì)算變形參數(shù):
式中 E——變形模量或彈性模量,GPa,當(dāng)以全變形Wo代入式中計(jì)算時(shí)為變形模量Eo,當(dāng)以彈性變形We代入式中計(jì)算時(shí)為彈性模量Ee;
μ——巖體泊松比;
P——按承壓面單位面積計(jì)算的壓力,MPa;
D——承壓板直徑,cm;
W——巖體表面變形,cm。
(E1、E2)、(E5、E6)二組試驗(yàn)點(diǎn)的壓力P~變形W曲線如圖3~6所示,相對(duì)應(yīng)的二組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1~2。
2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
圖3 試驗(yàn)點(diǎn)E1承壓板試驗(yàn)壓力P~變形W曲線
圖4 試驗(yàn)點(diǎn)E2承壓板試驗(yàn)壓力P~變形W曲線
圖5 試驗(yàn)點(diǎn)E5承壓板試驗(yàn)壓力P~變形W曲線
圖6 試驗(yàn)點(diǎn)E6承壓板試驗(yàn)壓力P~變形W曲線
表1 E1、E2試驗(yàn)點(diǎn)承壓板試驗(yàn)結(jié)果
表2 E5、E6試驗(yàn)點(diǎn)承壓板試驗(yàn)結(jié)果
結(jié)合圖1中E1、E2的地質(zhì)素描圖,對(duì)比圖3與圖4,以及表1中E1、E2的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可知由于試驗(yàn)點(diǎn)E1承壓板所在區(qū)域巖體節(jié)理數(shù)量較E2要多,兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)所得壓力P~位移W曲線特征存在明顯差異。試驗(yàn)點(diǎn)E1存在明顯的節(jié)理被擠壓變形的現(xiàn)象。相對(duì)而言,若在同級(jí)荷載作用下,E1的全變形值要大于E2。雖兩處試驗(yàn)點(diǎn)巖質(zhì)及巖層構(gòu)造基本相同,但由于兩試驗(yàn)點(diǎn)處巖體所含節(jié)理數(shù)相差較大,導(dǎo)致變形模量試驗(yàn)值相差8.1 GPa,約占其平均值的32.3%。
結(jié)合圖2中E5、E6的地質(zhì)素描圖,對(duì)比圖5與圖6,以及表2中E5、E6的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可知在加載應(yīng)力相同的情況下,E5的全變形值比E1要大得多,其壓力P~位移W曲線特征也存在差異。試驗(yàn)所得兩處巖體變形模量試驗(yàn)值相差1.2 GPa,約占其平均值的8.2%。
由上述對(duì)比分析可知,在地質(zhì)構(gòu)造基本相同的條件下,節(jié)理的存在與數(shù)量將直接影響巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)測(cè)定值,進(jìn)而影響工程中巖體變形參數(shù)的合理確定。
3.1 數(shù)值模型的建立及參數(shù)取值
以試驗(yàn)點(diǎn)E5巖體現(xiàn)場(chǎng)剛性承壓板試驗(yàn)為依據(jù),基于工程巖體的連續(xù)性理論及概化方法[2],采用有限差分軟件FLAC_3D進(jìn)行數(shù)值仿真。試驗(yàn)點(diǎn)E5巖體的數(shù)值試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D7所示。
邊界條件:鉛直邊界上施加水平約束;水平底部邊界上施加鉛直約束。本構(gòu)模型:摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型。計(jì)算參數(shù)采用淋溪河壩區(qū)巖體地質(zhì)報(bào)告建議值,具體如表3和表4所示。荷載施加方式:數(shù)值試驗(yàn)加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法,最大壓應(yīng)力平均分為5級(jí)加載。數(shù)值穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是:每級(jí)荷載計(jì)算達(dá)到平衡后,即可施加或退至下一級(jí)壓力。
圖7 試驗(yàn)點(diǎn)E5數(shù)值試驗(yàn)?zāi)P?/p>
表3 巖石力學(xué)參數(shù)
表4 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)
3.2 數(shù)值試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析
由圖8和圖5可知,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)壓力~變形曲線特征基本一致。表5給出了試驗(yàn)點(diǎn)E5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)成果對(duì)比分析結(jié)果。由表5可知,兩者各級(jí)壓力對(duì)應(yīng)的變形相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。因此,這種巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)?zāi)M方法是可行的。
圖8 E5試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)值仿真試驗(yàn)壓力~變形曲線
表5 試驗(yàn)點(diǎn)E5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)成果對(duì)比分析
4.1 數(shù)值試驗(yàn)方案
為探討層面間距、傾角對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)的影響,特?cái)M定了如下方案:層面間距S分別取0.5 m、0.75 m、1.0 m、1.25 m,傾角分別取0°、30°、60°、90°;為排除邊界條件對(duì)試驗(yàn)的影響,數(shù)值試驗(yàn)中巖體試件尺寸取10 m×10 m×10 m;數(shù)值模型參數(shù)、邊界條件、本構(gòu)模型及試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)點(diǎn)E5模擬試驗(yàn)相同。
4.2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)對(duì)數(shù)值試驗(yàn)方案中各類試件的數(shù)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算,結(jié)果如表6所示。
表6 層狀巖體變形模量數(shù)值試驗(yàn)值 GPa
4.3 層面傾角對(duì)巖體變形模量的影響
根據(jù)表6中各類層狀巖體試件變形模量數(shù)值試驗(yàn)值,繪制層狀巖體變形模量隨結(jié)構(gòu)面傾角的變化關(guān)系曲線,如圖9所示。由圖可知:不同結(jié)構(gòu)面間距的層狀巖體變形模量隨傾角的變化特征存在一定差異;變形模量的傾角效應(yīng)特征隨結(jié)構(gòu)面間距的增大而變?nèi)酢?/p>
圖9 結(jié)構(gòu)面間距不同的層狀巖體變形模量與傾角的關(guān)系
4.4 層面間距對(duì)巖體變形模量的影響
圖10給出了各類傾角層狀巖體變形模量隨結(jié)構(gòu)面間距的變化曲線。由圖10可知:各類傾角層狀巖體曲線變化規(guī)律基本一致,即隨結(jié)構(gòu)面間距的增大而變大并逐步趨于某一穩(wěn)定值;曲線變化特征會(huì)因結(jié)構(gòu)面傾角的不同而存在較大差異。隨著結(jié)構(gòu)面間距的增加,傾角90°層狀巖體變形模量增幅最小,傾角0°層狀巖體增幅最大,傾角30°、60°層狀巖體變化曲線特征基本一致。
通過(guò)對(duì)某水電站壩址巖體多組現(xiàn)場(chǎng)承壓板試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)在巖質(zhì)和構(gòu)造基本相同的情況下,節(jié)理的存在與數(shù)量將對(duì)巖體現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)測(cè)定值產(chǎn)生較大的影響。節(jié)理數(shù)量愈多,巖體變形值愈大,巖體變形模量越小。試驗(yàn)中巖體的壓力P~位移W曲線特征也會(huì)因試驗(yàn)點(diǎn)處巖體節(jié)理的分布不同而出現(xiàn)差異。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)值模擬手段,探討了層面間距、傾角對(duì)層狀巖體變形模量的影響規(guī)律。層狀巖體變形模量存在明顯的傾角效應(yīng)特征,但隨層面間距的逐漸增大,此特征逐步減弱。隨著層面間距的增大,各類傾角的層狀巖體變形模量值會(huì)隨之增大,并逐漸趨向于某一穩(wěn)定值,但不同傾角的層狀巖體增長(zhǎng)特征有所差異。
圖10 各類傾角層狀巖體變形模量與結(jié)構(gòu)面間距的關(guān)系
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TU452
B
1003-9805(2015)01-0023-05
2014-10-22
向新益(1963-),男,四川蒼溪人,高級(jí)工程師,注冊(cè)巖土工程師,從事水利水電工程地質(zhì)勘察及巖土檢測(cè)試驗(yàn)工作。