工程岩体力学参数状态相关性初步分析及应用

梅松华，赵海斌

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；3.上海勘测设计研究院有限公司，上海200434)

0 引 言

工程建设中，作为地基或建筑材料的岩石是经历了多期次复杂地质构造作用和浅表生改造的地质体，其内发育了众多不同性质、规模和方向的结构面，且赋存于复杂的地质环境(地应力场、渗流场和地热场等)中。受岩性、岩体结构和赋存环境的综合影响，岩体力学性质具有显著的空间变异性，具体表现为不连续、非均匀、各向异性和非线性等特点，这些特点与岩体结构的空间展布状态密切相关。随着工程的兴建，工程岩体赋存环境和荷载条件(自然的和人工的)将发生变化，并开始其复杂的时间相关性演化。工程岩体所处状态的不同，其力学性质也不一样，因此，表征岩体力学性质的参数具有明显的状态相关性特征。

影响工程岩体力学性质的因素非常复杂，与状态相关的主要可以归纳为：岩体应力状态、加载与卸载状态、饱和与非饱和状态、扰动与非扰动状态、空间状态与时间状态。时间状态中包含静荷载长期作用、动荷载作用以及环境状态的变化(干湿循环、温度变化等)；空间状态包含岩体结构的空间展布形态和荷载作用方式。实践证明，岩体在高应力状态下呈明显的非线性特征；岩体的加载模量低于卸载模量；岩体强度随水饱和度而变化；岩体力学参数具有尺寸效应和结构效应；远离自由面的未扰动岩体，其力学参数的取值与临近自由面(如掌子面、洞壁、坡面等)受扰动岩体力学参数的取值大不一样，后者呈现明显的应力状态相关的各向异性，垂直于自由面的受扰动体中的变形模量和强度参数明显降低。

表1 工程岩体系统状态初步描述

长期以来，许多学者对合理选取岩体力学参数作了大量工作，提出很多分析方法和经验准则[1-5]。综合起来大致可分为3种类型：第1类是基于岩石力学试验值，结合地质条件进行综合取值；第2类是按工程岩体分级(类)，结合工程类比进行取值；第3类是按经验准则进行取值。这些方法主要是针对岩体力学性质的某些影响因素来进行的，还没有系统地研究工程岩体的状态特征及其相关性。工程设计中，通常采用统一取值方法，对整个工程区，按不同的地质单元给出岩体力学参数，而地质单元的划分主要考虑岩性、岩体的完整性和风化程度等因素。这种取值方法弱化了岩体力学性质的状态相关性，越来越不满足工程需求。

岩体力学参数的取值是与其状态相关联的，这就要求在进行岩石工程分析时，需要获取一个随着时空状态变化的岩石力学参数场，而不仅仅是几个离散的确定值。结合岩体所处状态进行力学参数取值研究，可以提高参数取值的合理性。

1 工程岩体力学参数影响因素分析

工程岩体是在工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体。首先，岩体具有结构状态，即物质构成与空间展布形态；其次，岩体处于不同的地质环境状态中，其原岩应力场、渗流场、温度场不同，风化、卸荷程度也不同；第三，工程岩体受工程活动的作用，岩体特性、环境状态和荷载条件又会发生变化，在工程全生命周期内，岩体处于工程作用状态中。如果将工程与岩体相互作用定义为一个系统，那么，这三种状态表明了工程岩体系统所处的状况。

工程岩体力学参数的主要影响因素包括[6]岩体结构状态、地质环境状态以及工程作用状态，每一种状态都会许多因素构成(见表1)。工程岩体有些状态因素还会随时间变化，也就是说，工程岩体力学性质会随系统所处状态的变化而改变。

工程建设所涉及的岩体是由不同岩石材料组成的、含有各种地质结构面的非均质、各向异性的不连续体。由于不同的岩体工程分布在从地表到地下深部岩层的不同位置，工程岩体所处状态相当复杂。工程岩体表现的性态受到多种状态因素的影响，而且不同因素的影响效应是不同的。因此，研究工程岩体的力学性质应该充分考虑岩体所处的状态，在岩体工程稳定分析中，其力学参数取值与状态相关。

2 工程岩体状态分类

工程岩体的状态主要可以分为岩体结构、赋存地质环境及工程作用等三大类。结构体(岩石)是岩体的基本组成部分，结构体的力学性质反应岩体力学性质，结构体对岩体力学参数取值具有控制作用；其次，岩体结构面存在形态也对岩体结构力学效应存在较大影响，主要表现在岩体的爬坡角效应、尺寸效应及各向异性效应等方面；同时岩体地应力场、孔隙水压力、温度应力、卸荷条件等赋存条件和岩体组成成分一样左右着岩体力学特性；工程岩体受工程活动的作用，岩体特性、环境状态和荷载条件又会发生变化，在工程全生命周期内，岩体处于工程作用状态中。

3 工程岩体状态表述

岩体的状态因素对岩体力学参数的影响是客观存在的，工程岩体环境状态的表述将直接影响到岩体力学参数取值问题。工程岩体状态的表述是岩体结构主要采取岩体完整性及结构面特征等指标定性与定量相结合进行表述；岩体赋存地质环境主要通过地应力场、孔隙水压力(渗流场)及温度应力等指标进行定量表述；岩体工程作用主要根据工程荷载作用的时间、方式及类型进行综合表述。

3.1 岩体结构状态表述

3.1.1 岩体完整性

可以用动力法测定岩体完整性系数Kv，即

(1)

式中，Vml为岩体弹性纵波速度，km/s；Vcl为岩石弹性纵波速度，km/s。

岩芯质量指标RQD是长度在10 cm(含10 cm)以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比。

3.1.2 岩体结构面

结构面是岩体形成和地质作用的漫长历史过程中，在岩体内形成和不断发育地质界面，在连续介质力学理论中视为不连续面。

岩体结构面：①结构面产状表征结构面的空间位置的参数，包括走向、倾向和倾角。②结构面间距是同组结构面之间的距离，通常用平均值表示。③结构面密集程度以岩体裂隙度K(指沿取样线方向单位长度上的节理数量)和切割度Xe(岩体被节理割裂分离的程度)来表征。④结构面充填物及张开度是结构面两个相对面之间的宽度及充填物质的性质。⑤结构面粗糙度JRC为较小一级的凹凸不平程度，参考典型JRC剖面确定。

3.2 地质环境状态表述

地质环境状况：①自重应力场是由地心引力引起的应力场。②构造应力场是由地质构造运动而引起的应力场。③孔隙水压力是由水的自重形成的渗流场产生或作用在土体单元上的总应力发生变化导致的。④岩体温度应力岩体随地壳中温度变化发生热胀冷缩而产生的应力。⑤岩体卸荷带是由于自然地质作用和人工开挖使岩体应力释放而造成的具有一定宽度的岩石松动破碎带。

3.3 工程作用状态表述

工程作用状态：①扰动。对岩体结构原状进行的人为改变的行为。②静荷载。不随时间变化的恒载(如自重)和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载。③动荷载。短时间快速作用的冲击载荷、随时间作周期性变化的周期载荷和非周期变化的随机载荷。④荷载时效。在长期荷载作用下工程岩体随时间变化的力学变形特性。

4 考虑状态相关性的工程岩体力学参数取值一般思路

合理确定岩体力学参数一直是岩土工程界的重要研究课题，许多学者基于大量工程实践，提出了多种确定岩体力学参数的研究思路，研究手段包括现场地质描述、物理试验、数值仿真试验、经验分析法等等。

为确定工程岩体的力学参数，需要通过工程地质调查，根据岩体所含结构面的不同及结构体特性的差异，选取具有代表性的不同尺寸的岩块和结构面，进行不同状态下的系列室内力学试验、现场试验和数值模拟试验，建立状态因素相关的岩体力学参数影响系数的函数关系式，进而确定岩体力学参数取值。

4.1 以扎实的工程地质勘查和分析为基础

扎实的工程地质勘查和分析是合理确定岩体结构面力学参数的基础。在查明工程岩体地质结构特征的基础上，对岩体力学试验研究及现场监控进行合理的部署和设计；一方面要详细地了解岩体的地质特征，使整个工作具有明确的目的性和足够的代表性；另一方面，要全面地了解建筑物的特点及其与岩体的相互关系，使研究工作具有明显的工程针对性。

4.2 试验、监控量测和数值模拟相结合

试验通常包括室内和现场试验，其原理、方法基本相同，只是尺寸不同。充分利用室内试验作为岩体力学参数确定的重要参考，可以在保证取样的代表性、试件数量足够多、试验环节原状性等采取相应的措施；另外，经过大量资料的收集整理，可以初步建立起室内试验和现场试验结果间的对应关系；而且，还要把典型地质单元岩体力学试验与岩体结构地质研究结合起来，通过对岩体结构的力学效应研究，对成果进行综合分析、评价，从而给出大致可以表征工程岩体的力学性质。而实际岩体的力学性质，还可以在现场通过原型观测和监控进一步探索。在施工过程中，对岩体变形、应力进行观测和监测，通过反分析进一步研究岩体的变形及应力特性。

4.3 针对实际工程规模和特点具体分析

根据工程规模、重要性、影响力等因素，在技术可行、满足工程精度要求、经济合理的基础上选取一种或几种取值方法制定不同的取值方案：①对于大型、特大型工程应采用综合方法评估岩体抗剪强度参数，在现场原位大剪试验的基础上，充分运用工程地质类比法、理论公式法以及位移反分析方法。各种方法相互映证，提出合理的岩体力学参数值，以确保重要工程安全。施工和使用过程中还应加强监控，采用合适的方法进行跟踪计算，采取相应的措施。②对于中小型常见工程，由于资金、工期、技术投入等方面的限制，参数取值可以从工程地质调查的基础上，选取适量有代表性的试样进行室内试验，在试验成果的基础上结合当地工程经验取值；或者在少量现场试验的基础上，结合当地工程经验，利用工程地质类比法综合取值；或者根据监测资料采用反分析方法确定强度参数，并结合当地工程经验利用工程地质类比法取值；或者通过工程地质类比法与经验强度参数取值，并相互验证，选取合理参数。此外，按影响工程稳定性的实际要求，对c值、φ值的测量重点分开考虑。③针对不同的应用领域岩体力学参数的精度要求不同。边坡对岩体抗剪强度取值精度要求比隧道高，因为边坡稳定性主要由结构面强度控制，而隧道的稳定性主要取决于岩体强度。

4.4 采用动态参数设计理念

动态设计是相对于传统设计而言的，主要是指在施工过程中依据现场观测和监控量测获取工程与岩体相互作用的动态反馈信息、并及时对原有工程设计(或预设计)进行主动调整的设计方法。这一设计理念和方法实现工程动态设计施工，即“初步设计→施工→现场监测→反演分析→调整计算参数、模型→再设计”这一循环过程，体现了工程与岩体的动态交互影响和“人与自然和谐”的思路，对岩石工程项目安全、高效施工起到了积极作用，目前在工程设计中越来越受重视。

总之，不同类型的工程岩体面临的地质环境和工程环境较为复杂，没有任何一种岩体参数取值方法具有普适意义。因此，需要针对具体工程地质条件和岩体结构面特征，考虑关键的环境状态变量，以实测获取方法为主，以工程地质类比法和专家经验判断为辅，结合现场监控量测及数值分析方法，对工程岩体结构面参数进行综合判断和动态取值。

5 考虑结构面效应的拱坝坝肩岩体变形参数取值

拱坝坝肩岩体的变形与稳定性是关系到大坝建设成败的关键问题之一。影响坝肩岩体变形与稳定性的主要作用来自于拱座传递给坝肩岩体的推力。在强大的拱座推力作用下，坝肩岩体沿推力方向会引起相应的压缩变形，导致拱端岩体开裂(如图1)；同时也会引起推力作用下方的岩体出现抗滑失稳问题。由于无论是坝肩岩体的开裂，还是坝肩岩体滑移失稳，都是坝肩岩体出现过大变形造成的。因此合理评价坝肩岩体在拱座推力作用下的变形特性显得尤为重要。坝肩岩体在拱座推力作用下变形量的正确计算主要受控于岩体变形参数的合理选择。

图1 拱坝坝基的大变形破坏

图2是最常见的拱坝坝肩岩体结构组成与拱座推力关系。由图2可见，在层状岩体中，拱座坝肩(基)岩体结构面与拱座推力方向总会存在一定的夹角。在常规的有限元变形分析时，一般没有考虑拱坝坝肩岩体结构面对变形参数取值影响，而采用一个统一的、等效的变形模量来分析坝肩岩体在推力作用下的变形。研究可知：对于层状结构岩体，变形特性及参数的大小与荷载作用方向有关。因此，一旦拱座建基面几何关系确定下来后，应考虑实际荷载作用方向结合岩体变形的各向异性特征来确定合理的变形参数。

图2 拱坝坝肩岩体受力方向

对于图2a所示的坝肩岩体，不考虑其他结构面的影响，根据陡倾岩层与拱肩建基面的夹角(约20°)，结合岩体变形模量与岩层倾角关系，该坝肩岩体进行变形分析的变形模量推荐值为10.67 GPa；对于图2b所示的陡倾岩层与拱肩建基面夹角约50°，岩体变形模量取9.97 GPa。这表明，图2b所示坝肩岩体的变形量显然要大于图2a岩体的变形量。

6 结 语

本文以状态描述了工程岩体的天然产出、赋存环境和工程作用，力求真实反映岩体在相关状态的力学特性，为工程岩体力学参数取值这一关键技术问题开辟了新的研究途径。但由于工程岩体系统及其状态的复杂性，导致其力学参数取值存在很多的困难，需要深入认识其中所存在的问题，借助先进测试设备、试验技术和数学力学最新研究成果，研究对工程岩体参数取值有影响的各种状态因素，从而提高参数取值的合理性和准确性，使工程设计达到安全性和经济性的统一。

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