节理粗糙度对岩石力学性质的影响研究

朱胜华 （绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000）

近代以来中国经济高速发展，对山区交通加快了建设的步伐，在建设施工中遇到的问题也日益突出。山区建设必不可少要和岩石接触，而岩石在自然界中是一种较为复杂的地质体，岩石在其生成过程以及形成后的各个时期内因受到内力外力的作用，其内部会生成众多类型的缺陷诸如裂纹、节理、层理、褶皱及弱面等，这些缺陷会对岩石的力学性质产生显著的影响。节理贯穿岩石生成的整个过程，而且它在岩体中的分布也非常的广泛，所以节理在影响着各类岩体的力学性质，节理亦是一种控制各类岩体工程稳定性的关键因素。因此，深入研究节理力学性质、形貌损伤以及破坏模式有着重要的意义。

1 研究现状

国内外的学者通过了大量的岩体节理粗糙对岩体力学性质进行了的研究发现：首先，在节理面粗糙度的理论研究上，Barton率先提出了节理粗糙度系数JRC（joint roughness coefficient）这个概念，此概念描述了岩石表面的粗糙形貌特征，JRC值的大小通常可以通过比较法或根据直剪试验确定。再此之后Barton等又于1977年提出了10条JRC值分别为0～20的标准轮廓曲线，所需要确定JRC的结构面可以通过与标准轮廓曲线对照的方法确定结构面粗糙度的的大小。这为岩体结构粗糙度确定了标准，现已被国际岩石力学学会收藏并推荐使用。

在而后的理论研究阶段，许多学者通过研究分形维数D与岩体粗糙度参数回归分析，初步建立了粗糙度参数或分形维数D与结构面粗糙度系数的相关公式，用于岩体粗糙度系数的估算。在粗糙节理岩石的理论研究的支持下在粗糙节理岩石的试验研究和数值模拟上已取得显著的成果，关于粗糙节理岩石的试验研究主要以剪切和渗流试验为主，Zandarin等对不同起伏角的锯齿状节理岩石进行了剪切试验，并对其进行了数值模拟，研究了节理粗糙度和吸力对其强度的影响。Barton从大量的试验中发现水力等对真实岩石节理面进行循环剪切试验。贺玉龙等进行不同节理粗糙度系数单裂隙渗流试验，通过Barton提出的JRC轮廓曲线制作出10个含有不同JRC的岩石试样，测试不同JRC值试块的渗透性，从而得出不同JRC值单裂隙渗透率与有效应力之间的关系。关于粗糙节理岩石的数值模拟研究主要是为了解决岩石节理面细观特性难以观察及同一节理难以复制进行多组试验的问题，相关学者采用数值模拟软件能够较为真实地模拟节理表面，分析节理面的细观特性及其破坏机制。这些研究涉及节理粗糙度、岩石剪切和渗流的试验，但对于粗糙节理岩石三轴压缩试验的研究成果较少，而三轴试验更能反映工程中的问题。等效隙宽和机械隙宽的关系与裂隙粗糙度有关。

黄庆云等通过对现场矿山边坡进行测量，借助于现场地质调查、工程地质钻探补勘等方法获得岩体的基本参数：岩性，节理组数，节理各参数，然后通过现场和室内试验对岩石和岩体的力学性质进行分析，该试验的主要研究方法是基于现场调查，以室内试验辅之，获取正确的岩体参数对矿山的开采安全具有重要意义。

杨圣奇、陆家炜等人也是利用不同粗糙度系数的试块进行三轴压缩试验研究，利用3D打印机制造不同粗糙度的节理岩石试样，采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统，对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验，该研究报告指出由于岩体中存在节理面，比完整岩块强度有所减小，而且随着岩体节理粗糙度JRC值的改变，岩石抗剪强度也随之改变。具体的表现为岩体的抗压强度随着岩体节理粗糙度系数JRC的增大而增大，相对应的岩石三轴抗压强度也随之变大。

张志强、郇久阳等人采用数值模拟的方法研究节理粗糙度系数JRC与抗剪强度的关系，具体采用离散元软件PFC建立岩石节理试样模型，模拟中逐步提高法向应力对岩石节理试样模型进行剪切，从而获得粗糙度系数JRC与抗剪强度峰值的关系，并且研究不同JRC、不同法向应力条件下试样裂纹的扩展规律。其实验结果表明：使用计算机用离散元进行节理剪切数值模拟的试验结果与物理试验结果相吻合。同样也得出与杨圣奇一样的结果，岩体的抗剪强度峰值与JRC值有关，并且与之正相关。本研究采用了数值模拟进行岩体节理的粗糙度进行了研究，相较物理实验可以减少风化，日晒等因素对岩石石块的影响，还能准确地得出裂纹最先出现的位置为节理处及详细的岩体破坏过程，为后续地分析带来方便。

2 研究方法

研究方法主要包括以下三类：

①常规理论和物理试验研究方法

对天然含节理的岩石直接进行理论和物理研究，有些学者认为只有现场试验的方法才能正确描述岩体的力学性质，这类方法的优点是利用第一手资料，使得原始数据比较准确，并且研究起来比较方便，没有干扰因素。

②借助模型材料研究

是使用砂浆、石膏等材料制作节理试样模型，然后参考第一种研究方法研究不同JRC对节理抗剪强度峰值的影响，这种方法可以制作不用条件下的岩体试样并且对原有岩体数据的还原性较高，基本能1：1还原现场试验，并且能满足研究者对各种情况下岩石抗剪强度的分析，适用性较强，适用范围较广。

③数值模拟

数值模拟就是使用计算机软件模拟现实岩体破坏，从而获得出岩体力学参数的研究方法。这是目前普遍应用的研究方法，通常采用有限元软件ANSYS、离散元软件UNDC、PFC等。这种方法可以有效控制实验成本，不受自然环境的影响，缩短实验前期准备时间，更加的经济和快捷，但是对于操作者要求较高，要能熟练的运用相应的软件。

由于有时候对现场的情况不适合进行实验，只能使用相应的模型进行代替实验，相应的做法为第一步对矿山岩体进行勘查，获得岩体节理的基本参数，再把数据结合整理好，利用整理好的数据做成模型，对模型进行力学实验，获得模型的力学参数，还可以利用计算机进行数值模拟，模拟结果与模型结果进行数据对比，这种理论与实际相结合的研究方式考虑的比较全面，出现误差的可能性也相对较少。

3 结论与展望

现阶段对岩体节理粗糙度的研究处于高速发展阶段，能够通过不同的研究手段分析出岩体节理粗糙度对岩体抗剪强度的影响，并运用到工程实践中，但这种研究的数据与实际数据有一定的误差，首先在进行勘察的时候由于根据主观因素的影响，会使获取的数据与现场数据有一定的偏离值，其次模型研究和计算机数值模拟很难考虑到现场环境的影响，所以实验获取的数据是对原有情况的一个估算值。所以当下研究的重点是如何提高实验的准确性，并且研究出能够适用于各种状况下各类岩体的粗糙度与其力学性质的公式，这将为岩体工程建设带来极大的便利，应用前景将十分广泛。