基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究

第31卷第9期 岩 土 力 学 V ol.31 No. 9 2010年9月 Rock and Soil Mechanics Sep. 2010收稿日期：2009-09-02 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划（No. 2008BAB29B01-1）；国家自然科学基金重大研究计划重点项目（No. 90715042）。

第一作者简介：张占荣，男，1982年生，博士研究生，主要从事岩土力学数值分析方面的研究。

E-mail: jlwdd@文章编号：1000－7598 (2010) 09－2875－07基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究张占荣1，盛 谦1，杨艳霜1，朱泽奇1，张玉敏1，王照伟2（1. 中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071；2. 国核工程有限公司海阳SPMO ，山东 海阳 265100）摘 要：岩体力学参数具有随机性和不确定性，合理确定岩体力学参数是岩土工程稳定性分析的基础和关键。

以某水电站前期研究的110个钻孔弹模测试数据为研究样本，对其进行了统计特征分析，确定变形模量的概率分布特征更符合Weibull 分布。

以钻孔弹模仪承压板尺寸为岩体变形模量研究的样本尺度，岩体由该尺度的岩样叠加而成，建立了不同尺寸的立方体岩体数值分析模型，按照Weibull 分布随机给出各岩样的变形模量，在此基础上对不同尺寸的岩体分别进行5 000次单轴压缩试验的数值模拟，得到了不同尺度岩体等效变形模量的变化特征，确定了岩体等效变形模量的REV 。

基于现场实测岩体变形模量与概率统计理论相结合研究岩体变形模量是一个新的尝试，可为该水电站工程岩体力学参数的合理取值提供依据。

关 键 词：岩体；变形模量；钻孔弹模试验；概率统计；非均质性；尺寸效应 中图分类号：TU 443 文献标识码：AStudy of size effect of rock mass deformation modulus based on in-situ testZHANG Zhan-rong 1，SHENG Qian 1，YANG Yan-shuang 1，ZHU Ze-qi 1，ZHANG Yu-min 1，WANG Zhao-wei 2（1. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China;2. Power Engineering Corp. Ltd Haiyang SPMO, Haiyang, Shandong 265100, China ）Abstract: It is the key step for geotechnical engineering stability evaluation to determine suitable mechanical parameters of rock mass due to random distribution of its parameters. The statistical analysis of 110 data from borehole jack tests conducted from earlier research of a hydropower station shows that the deformation modulus more closely matches the Weibull distribution. Then the cube rock masses of various sizes, each of which comprises a number of cube elements, are simulated numerically. The size of each element is identical with that of bearing plate of borehole jack test instrument; and the deformation modulus of each cube element is given randomly by Weibull distribution. Each of rock masses is simulated by 5000 uniaxial compression tests; and then the change of equivalent deformation modulus with rock mass size is obtained, which determines the REV of equivalent deformation modulus. It is a new attempt to survey the macro parameters of rock mass by combination of in-suit test and probability statistics theory, so as to provide a useful reference for the parameter determination of rock mass in this hydropower station.Key words: rock mass; deformation modulus; borehole jack test; probability statistics; heterogeneity; size effect1 前 言岩体由岩块和不连续的结构面组成，是一种复杂的工程地质体。

岩体在形成过程中，经历过多次地质构造、温度、水、风化营力等外界因素的影响和作用，导致岩体力学特性具有空间不均匀性、时间变异性，岩体力学参数的合理确定是多年来岩石力学界存在的一大难题[1]。

岩体力学参数是岩土工程分析的重要输入参数，了解岩体的变形参数变化规律对于工程地质评估以及岩石工程的分析设计具有重要的意义[2]。

岩石、岩体等脆性材料，由于岩石材料本身的不均匀性以及节理、裂隙的几何分布、力学特性的不确定性，其力学特性均存在随试件研究尺度的不同而变化的特性，被称为尺寸效应[3]。

为了解决岩体力学参数的尺寸效应问题，国内外学者Weibull ，Brown ，普罗多耶诺夫，孙广忠等[4]进行了广泛的理论与试验研究，建立了岩体力学参数与岩体尺寸之间的经验关系式。

从试验角度研究岩体力学参数的尺寸效应是最直接、最有效的方法之一，但室内试验岩样取自完整岩块，不能代表原位状态含有裂隙的岩体。

此外，试验研究还受制于大尺寸试样取样岩土力学 2010年难及仪器研制的限制。

李建林等[5]通过模型试验，研究了岩体力学参数的尺寸效应。

王学滨[6]采用拉格朗日元法，研究了单轴拉伸岩样破坏的尺寸效应。

周火明等[4, 7]在综合考虑室内试验、现场试验、工程岩体分级、数值模拟、实测位移反分析成果的基础上，研究了岩力学参数的尺寸效应，是一种面向工程应用的研究方法。

由于尺寸效应等原因，在岩土工程中室内试验获取的岩体力学参数并不能直接应用于工程实际，岩体力学参数从试验值演进到设计采用值时，往往简单的采用平均值进行折减或由工程类比得到，不仅带有很大的随意性[8－9]，也没有考虑到岩体力学参数客观存在的不确定性。

尤明庆等[10]根据串联、并联模型原理进行定性分析，揭示了岩体强度的尺寸效应根源于材料的非均质性。

吕兆兴等[11]采用非均质数值试验的方法，研究了非均质参数m对岩石材料强度尺寸效应的影响，揭示了非均质参数对岩石材料的单轴抗压强度的尺寸效应起着决定性的作用。

可见，利用概率统计理论来研究岩体力学参数的尺寸效应是一个新的研究领域。

基于某水电站地下厂房区钻孔弹模试验获取的实测岩体变形参数样本，本文进行了概率统计分析，确定了变形模量的概率分布特征更符合Weibull 分布函数，依据现场岩体试验的尺度，考虑岩体变形参数非均质性的基础上，建立了不同尺寸的随机分析模型，对岩体变形模量的尺寸效应和代表单元对REV进行了深入的研究，分析流程见图1。

图1 分析流程图Fig.1 Flow chart of this analysis 2 工程及现场试验概况2.1 工程概况某水电站位于四川省大渡河中游雅安市石棉县挖角乡境内，为大渡河干流规划的22个梯级中的第14个梯级电站。

地下厂房区基岩以灰白色、微红色黑云二长花岗岩（γ24-1）为主，中粒结构，地下厂房区岩体新鲜较完整，呈块状～次块状结构，岩块嵌合紧密，无区域断裂切割，构造型式特征以沿岩脉发育的挤压破碎带、断层和节理裂隙为主。

厂区较大规模的软弱结构面主要有f56～f60等断层穿过厂房洞室群区。

2.2 岩体力学特性测试为研究该水电站地下厂房围岩岩体力学特性，于2008年10月初在上层排水廊道针对地下洞室群围岩进行了钻孔弹模测试，其中2号机组、4号机组剖面附近各布有2个测试孔，共布设测试点110个，获取岩体变形参数样本110个。

测试工作在地下厂房开挖之前进行，由此获取的岩体变形参数更能反映岩体原位状态的力学特性。

表1 各测试孔信息统计表Table 1 Statistics of in-situ test试验部位桩号/排孔号试验数量/点主厂房2号机组断面 0+238.0 CSP2-2 28 主厂房4号机组断面 0+184.4 CSP4-2 36 尾调室2号机组断面 0+145.78 WSP2-2 23尾调室4号机组断面 0+86.98 WSP4-2 23钻孔弹模试验采用武汉岩土力学研究所研制的BJE76系列钻孔弹模计进行，该仪器的外型尺寸为φ74 mm×700 mm，与孔壁接触长275 mm。

该仪器内部的4个千斤顶活塞推动2块刚性承压板对钻孔壁岩体施加一对称的条带载荷，通过测试不同压力下的变形，试验部位岩体的变形模量或弹性模量值为(),QE AHDTDνβ∗∆=∆（1）式中：A为三维问题的影响系数；H为压力修正系数；D为钻孔直径(mm)；Q∆为压力增量(MPa)；D∆为变形增量(mm)；(,)Tνβ∗为与承压板宽度(接触孔壁时圆周角大小)和岩体泊松比有关的系数，本次试验按(0.25, 25)T∗D=2.141取值。

计算钻孔岩体的弹性模量时，式（1）中的Q∆、D∆一般取压力变形曲线高压部分的线性段增量值。

计算变形模量时，Q∆、D∆取压力变形曲线中的低压部分变化量值。

2876第9期 张占荣等：基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究2.3 试验结果由图2测试孔WSP4－2的部分测点钻孔弹模试验的荷载-变形曲线可见，在低压力段(<3.1 MPa)，压力与变形呈非线性关系，且变形增加很快；钻孔弹模计的承压板与钻孔孔壁达到完全接触须有一定的压力，随着压力的增加。