基于REV的岩质边坡力学参数模拟试验方法

基于REV 的岩质边坡力学参数模拟试验方法

杜子建1) 高永涛1) 朱 俊2) 崔 波1)

1)北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083 2)中国海外地产有限公司,珠海519000

摘 要 从岩体宏观连续性假设出发,引入岩体表征单元体(REV)概念.首先根据岩块的三轴与卸载回弹试验以及结构面的室内直剪试验确定其基本力学参数;然后以数值模拟试验方法,依据当岩体区域体积达到并超过岩体REV 尺寸时其力学性质趋于稳定的变化规律,对岩质边坡岩体REV 的存在以及大小进行确定;最后根据满足REV 尺寸的三维模型最终计算出对应边坡岩体的力学参数.

关键词 边坡;裂隙岩体;力学参数;表征单元体(REV);模拟试验方法分类号 T U 458+14

Simulation testing method of mechanical parameters of a rock slope based on REV

D U Zi -j ian 1),GA O Yong -tao 1),Z H U Jun 2),CUI Bo 1)

1)School of Civi l and Environmental Engi neering,University of Science and T echnology Beijing,Beiji ng 100083,China 2)China Overseas Property,Zhuhai 519000,China

ABSTRAC T T he repr esentation elementar y volume (REV)w as introduced on the base of the hypothesis of macro -cont inuity of rock masses.Firstly,the basic mechanical par ameters of rocks w er e measured by the conventio nal triax ial tests and unloading resilience t ests,and the mechanical parameters of rock interfaces and jo ints w ere obtained by direct shear tests.Seco ndly,the existence and the dimension of REV were deter mined by the method of numer ical simulation testing according to the r ule that the mechanical character can g et to be stable when the volume of rock masses are larg er than the dimension of R EV.Finally,the mechanical parameters of r ock masses were calculated by numerical simulat ion analysis of a three -dimensio nal model based on the dimension of REV.KEY WORDS slope;fr actur ed rock mass;mechanical parameters;representation elementary volume (REV );simulation test ing method

收稿日期:2008-02-07

作者简介:杜子建(1983)),男,博士研究生;高永涛(1962)),男,教授,博士生导师,E -mail:gaoyongt@

岩体是由岩块和结构面组成的有机复合体,其强度特征受到岩块、结构面强度以及岩体结构等因素影响.由于岩体试验尺寸及现场选点条件的限制,岩体参数很难通过室内外试验直接测定,而且因为岩体赋存环境的变异性,对岩体宏观特性的概括以及经验方法也不容易得到比较准确的岩体力学参数值.如何尽量精确选取岩体力学参数便成为数值模拟分析法中关键的问题[1].鉴于目前室内现场岩石以及节理材料的力学试验和数值计算现状,如何根据所测试的岩石和结构面的力学参数、岩体节理裂隙分布情况及初始应力条件,运用数值模拟方法来评价岩体力学参数是值得研究的问题.

另外,岩体一般情况下虽被视为非连续体,但一

定条件下仍满足连续介质力学的基本假定.连续性只是一个相对的概念,自然界中绝对的连续体是不存在的,从力学角度而言,岩体抽象为连续体就意味着服从连续介质力学的弹塑性理论,这对破坏趋势的研究具有不可估量的价值[2].何满潮等[3]关于工程岩体连续性的假定为:岩体的组成微元可以有大小,如果达到一定的临界尺寸,而且能满足相对岩体区域尺寸足够小但对比其中裂隙尺寸足够大,那么可以将该微元组成的工程岩体抽象为连续体.这里所提到的微元也是岩体表征单元体(representation elementary volume,REV).岩体如果满足连续体条

第31卷第2期2009年2月北京科技大学学报

Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.31No.2Feb.2009

件,就可以用材料的强度理论判断这类岩体是否破坏,结合有限元法,复杂的本构方程、定解条件、材料的不均匀性及各向异性等问题不再困难,相对而言确定岩体材料本构关系及其力学参数成为关键.研究表明[4]

,岩体REV 是判断岩体连续性和岩体力学参数的基础.本文以中怡华海房地产开发(珠海)有限公司近期开发的海逸山庄边坡为例,通过数值试验方法,探讨岩体表征单元体REV 的确定方法,并分析了边坡岩体力学模型的建立以及如何确定岩体力学参数等方面的问题.

1 工程概况

海逸山庄边坡位于珠海市聚龙溪山庄西南侧,观音洲西侧,其中大部分为低丘陵斜坡,自然坡度30~35b 左右,斜坡上植被发育,以乔木为主,边坡及

坡脚场地规划为海逸山庄建筑用地.边坡总长约600m ,高5~40m,坡度一般45b 左右,坡下的地面标高为6151~11181m,坡顶标高为15102~69103m.在勘查区北侧,由于挖山采石形成了高、陡岩质边坡,高度最大可达60m,坡面近乎直立,风化程度相对较高,节理发育明显,是形成滑坡、崩塌的主要不稳定区[5],如图1.本文主要对此侧边坡岩体进行取样试验以及后续的建模分析

.

图1 北侧边坡近貌

Fig.1 Rock slope on the north si de

根据区域地质构造资料,场地内无区域性全新活动断裂存在,场地位于地壳稳定区内.该侧边坡场地的地质构造简单,根据钻探揭露及地质调查资料,该侧边坡场地内主要基岩为燕山期侵入的花岗岩,粗粒结构,块状构造,主要由长石、石英、云母等矿物组成,按其风化程度划分为强、中和微三个风化带,各风化带的岩性特征分述如下.

强风化花岗岩:褐黄、褐红、褐灰杂灰、灰白、灰绿色,原岩粗粒结构清晰可辨,节理裂隙极为发育,

矿物风化显著,岩芯呈半岩状,泡水易软化、碎裂.

中风化花岗岩:褐黄、褐灰、暗褐色,中粗粒结构,块状构造,岩芯呈碎块状或短柱状,较坚硬、致密,裂隙稍发育,裂面风化浸染明显,芯样锤击易碎裂.

微风化花岗岩:浅灰、肉红杂灰黑色,中粗粒结构,块状构造,岩芯呈柱状,较新鲜、致密、坚硬、完整,局部偶见裂隙发育,裂面微弱风化浸染呈褐红色.

选取最北侧高、陡岩质边坡进行稳定性分析.根据该岩质边坡周围场地量测的节理裂隙分析,主要节理裂隙为五组:J1,164b N 82b ;J2,115b N 85b ;J3,85b N 29b ;J4,5b N 70b ;J4,30b N 12b .另外,还有大量的构造节理及爆破震动形成的裂隙.根据节理裂隙及坡面的产状,作赤平投影图,如图2.由此图可知:J4与J5倾向坡内,对边坡的稳定影响不大;J2与J3倾向坡外,其中J2与坡面小角度相交,而J3与坡面大角度相交,受此两组节理的影响,岩湾易被切割而形成楔形体,而造成崩塌灾害,严重威胁坡脚道路、住宅建筑物以及活动人员的安全

.

图2 场地北侧岩质边坡赤平投影图

Fig.2 S tereographic projecti on of the rock slope on th e north side

2 岩体力学参数的数值试验法

211 岩块与结构面力学参数的确定

对于岩质边坡工程,要进行岩石的卸载试验,卸

载速率依据实际工程的施工卸载速率确定[6].采用刚性伺服试验机对海逸山庄北侧边坡工程岩体的强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩岩块进行三轴压缩试验和卸载试验,试件采用标准圆形试件,每组3~6个.对岩层结构面(软弱夹层)进行室内中型直剪强度试验,每组6块试件,剪切面积为100cm 2

.所得各类特征岩性和不同风化程度岩块及结构面试验结果如表1所示.

#

140#北 京 科 技 大 学 学 报第31卷