（岩土工程专业论文）红层软岩边坡关键岩体力学参数确定.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文提出了更适合于红层软岩特殊性质和地质特征的岩体力学参数的分 析和选用方法，取得了如下研究成果和结论。 ( 1 ) 研究了影响边坡稳定性的各种岩土参数，分析了各参数对边坡稳定的 敏感性，给出了相应的计算公式和曲线图，以及各参数敏感性的排序。同时给 出了这些参数的取值范围。 ( 2 ) 根据岩土参数随机性和模糊性提出了按随机一模糊理论处理试验数据 的方法，与传统数理统计方法相比有计算结果变异性小、对红层软岩适用性更 好的优点。 ( 3 ) 利用数值计算分析红层软岩坡体稳定性时，建议采用h o e k b r o w n 准 则确定关键岩体力学参数。总结出了利用b q 指标估算h o e k b r o w n 准则中的g s i 指标和岩体弹性模量的经验公式，结合红层软岩的特殊性质和地质特征，总结 出了按此准则确定岩体力学参数的成套方法。此外，还提出了考虑红层软岩质 量分级和坡体结构选取岩体力学参数的综合方法。通过依托工程的数值计算分 析，验证了这种方法选取岩体力学参数的合理性。 ( 4 ) 利用极限平衡法分析红层软岩坡体稳定性时，提出了采用极限平衡软 件自动搜索滑移面的位置和利用b a r t o n 公式确定节理面的抗剪强度。引入了一 个反映结构面起伏度的参数，将b a r t o n 给出的标准曲线量化，从而减小了确定 结构面起伏度的不确定性。通过依托工程的实例分析，验证了以上方法选取岩 体力学参数的合理性。 关键词：随机一模糊法；h o e k b r o w n 准则；岩体力学参数；极限平衡；有限元 互直窑塑查主堡主塑窒生兰焦燕塞篁! ! 要 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c h f i n d i n g s ，an e ww a yt oc o n f i r mt h er o c k m a s s m e c h a n i c a lp a r a m e t e r si sp r e s e n t e d t h i sw a yi sm o r ea d a p t e df o rw e a kr o c k so fr e d l a y e nt h e m a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sc a nb ee x p r e s s e da sf o l l o w s ： lt h ek e ym e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s sa n dt h e i rr a n g en e e d e df o rs l o p e s t a b i l i t ya n a l y s i sa r es u m m a r i z e d 。t h es e n s i t i v i t yo ft h e s e lp a r a m e t e r st os l o p e s t a b i l i t y i so b t a i n e d t h ef o r m u l a s ，i n f l u e n c eg r a p h sa n ds e n s i t i v i t ys e q u e n c eo f m e c h a n i c a 】p a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d 2 b e c a u s eo ft h er a n d o ma n df u z z yc h a r a c t e r i s t i c so fr o c kp a r a m e t e r s t h e r a n d o m - f u z z ym e t h o di si n t r d u c e di nt h ep a p e rt oa n a l y z et h er o c km e c h a n i c a l p a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a n d o m f u z z ym e t h o di s m o r er e a l i s t i ca n d r e l i a b l et h a nc o n v e n t i o n a lm e t h o d s 3 i nt h en u m e r i c a la n a l y s i so fs l o p es t a b i l i t y , h o e k - b r o w nm e t h o di ss u g g e s t e d t oc o n f i r mr o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s t h ee x p e r i e n c ef o r m u l a st oc o m p u t e g s ia n dt h ey o u n g sm o d u l u so fr o c km a s sw i t hb 0a r ee s t a b l i s h e d t h ea n t h e ra l s o p u tf o r t haw a yw h i c hc o n s i d e rt h er o c km a s sc l a s s i f i c a t i o na n dt h em a k e u po fs l o p e t oc o n f i r mt h er o c km a s s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 4 d u r i n gt h ep r o c e s so fl i m i te q u i l i b r i u ma n a l y s i s ，w eu s et h es o f t w a r et os e a r c h t h ep o s i t i o no fs l i d es u r f a c e s t h eb a r t o nf o r m u l ai si n t r o d u c e dt oc o n f i r mt h es h e a r s t r e n g t h so fi n t e r f a c e s an e wp a r a m e t e ri sp u t t e df o r w a r dt oe x p r e s st h ew a v eo f i n t e r f a c ew h i c hm a k et h ec o n f i r m a t i o no fj r cm o r ea c c u r a t e s o m ee x a m p l e sa r e o f i e r e dt oe x p l a i na n dv e r i f yt h e s em e t h o d s k e y w o r d s ：r a n d o m f u z z ym e t h o d ；m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s s ；h o c k b r o w n c r i t e r i o n ；l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 亘里銮望杰兰堡主竺塞兰兰焦燕塞兰! 墓 第1 章岩体力学参数现有取值方法的研究 1 1前言 红层软岩具有强度低、变形大、水理性强( 受水作用后易崩解、软化) 、容 易风化、剥落等特殊性质，这些性质决定了红层软岩边坡开挖后自稳能力很差， 即使暂时稳定若坡面不加防护，在风化作用下也会逐渐剥落失稳。因此红层软 岩开挖后的长期稳定性问题是工程设计人员密切关注的重要课题。在红层软岩 边坡稳定性分析中，使设计人员感到最为棘手的问题是如何合理地选取岩体力 学参数。这是因为红层软岩的特殊性质，使得岩土参数的时空变异性表现得十 分突出，对红层软岩参数特别是关键岩体力学参数的选取较其他岩体更为困难。 鉴于这一问题的重要性，本论文将着重加以研究。 一般情况下边坡稳定性分析中，需要考虑的岩体力学参数有组成坡体的各 岩石材料的强度参数( 抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等) 和变形参数( 变形 模量、泊松比等) ，以及坡体内结构面或节理裂隙面的强度和变形参数，例如粘 结力c 、内摩擦角叭法向刚度k 。、切向刚度k s 、剪胀系数等。另外还要考虑 一些物理参数，例如岩体天然容重、孔隙比、软化系数、含水量、渗透系数、 边坡的坡高、坡面倾角、主控结构面或滑面的倾角等。目前对岩体力学参数的 选取方法已做了较多的研究工作，也取得了一些成果。由于红层软岩的特殊性 质，这些成果要在红层软岩边坡稳定性分析中加以应用，还要做较多的研究工 作。因此在本章中首先分析研究现有岩体力学参数的取值方法以及这些方法对 红层软岩边坡工程的适用性，然后在其他章节中再依据试验数据和收集的大量 红层软岩物理力学参数的资料，进行理论分析和数值计算，从红层软岩力学参 数的取值范围、相关性、敏感性，以及各边坡稳定性分析方法对参数的不同要 求等方面，开展全面的分析研究，提出适合于红层软岩边坡岩体力学参数的选 取原则和方法，为红层软岩边坡工程设计在参数选取方面提供科学依据。 1 2 获取岩体力学参数的方法 对于红层软岩，公路、铁路、水电的规范中都没有就这些参数的取得作出 特别的规定，相关的文献资料也不多，目前获取岩体力学参数的方法一般有试 验法、反演算法、工程类比法，以及工程岩体质量分级标准法等。为研究 的需要，下面加以简述。 1 2 1 用试验方法取得参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 试验包括室内试验和室外试验两个部分，室内试验一般是在现场用钻探或 其它方法取得岩体，以及结构面的试样，在试验室中加工成标准的岩样，用单 轴、三轴或直剪试验测得相关的试验参数。现场试验主要是测定结构面的参数， 一般在经过一定的地质勘探以后，选定几组有代表性的结构面，测定其c ，口值、 法向刚度、切向刚度。现场试验的试样尺寸一般都比较大，与室内试验相比， 可以在一定程度上减小尺寸效应的影响，但费用较高，不宜大量展开，因此要 求结构面要有一定的代表性。 ( 1 ) 单轴及三轴压缩试验 利用单轴及三轴试验可以获得岩石的拉压强度、弹性模量、泊松比、不同 围压下的抗压强度、抗剪强度。关于试验的具体方法，国际岩石力学学会有相 关的建议方法( s m ) ，以便在各个国家统一。文献 1 】中比较详细地介绍了试验的 设备，试样的尺寸，加工要求，试验过程巾应力、应变的量测，试验资判的整 理分析，弹性模量，泊松比的计算以及最后试验报告的整理。在试验设备方面， 国外已大量采用m t s 刚性试验机，国内在9 0 年代开始从国外引进了这方面的 设备，有的单位在静三轴仪的基础上改装伺服压力机，在岩石应力一应变全过 程试验中取得了比较好的效果【2 1 。应变量测是单轴及三轴压缩试验的关键，一 直以来变形量测都是采用百分表或应变片，张国等“1 则将现代光学技术以及数 字图像处理方法引人实验力学，利用数字云纹法进行岩石的应变测量，从而可 以测量整个试件的变形，等位移线场，量测范围广，从弹性变形到塑性变形以 致破坏的全过程，都能得到连续的或瞬时的全场位移信息，是电阻应变测量方 法的一个有益补充。由于伺服压力机的发展，有的学者提出采用卸围压的方法 获耿岩体的卸载模量，文献 5 【6 】中则建议利用卸围压法测量岩石材料的泊松 比。用三轴试验测定岩石的抗剪强度参数是岩石抗剪强度参数测定的有效手段， 但在对待由于岩石的非均质性导致的成果的分散性方面方法不一从而导致了国 内外对三轴试验所采用的成果也都不统一，文献 7 】介绍了目前比较通用的5 种 方法：在生兰土和兰2 篁坐标平厕卜点h 斧试件的三轴试验结果，然后用 22 最小乘法或作图法绘址；最佳值曲线，再在曲线l ：选定若r 组对应值，绘 | 荇 相应的摩尔圆或用关系式计算。按照试验结果在f 一口坐标平耐上，绘出各 试件的试验结果，按照通过最可能多的摩尔圆切点的原则，定出摩尔圆包线。 考虑试件的实际破坏角修j f ：摩尔圃包线的剀点，然后定摩尔圆包线。格 依尔格f l j g i l g ) 提出一种在比较大的i 铲均抗翦强度和最小抗剪强度之问】队一个 所谓“降低_ 的抗剪强度”的整理方法。在这种情况下，r 一口的关系小是擞限 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 莫尔圆的包线，而是种经过修j f 过的，包岔有安伞因f 的平均关系。o 公式 法。芙于筘理的三轴试验山于采取未经扰动的密集柑础岩石试样作兰三轴试验 是一项非常困难的工作，翻自d 幽内外都没有更好的方法，这种研究多迅存人造 的密集节理岩块。l 进行的，h o e k f8 】建议采用近似的方法，即用试验捣实岩石充 填体来代替密集节理岩体。m a r s a l 、m a r a c h i 、c h a n 等人对这种方法都进行过全 面的论述，h o e k 对该方法也作过简要的介绍。 ( 2 ) 直剪试验 完整岩石及其结构面的直剪试验一直是测定抗剪强度参数的可靠方法。按 照试验尺寸的大小分成小型直剪试验、中型直剪试验、原位剪切试验。试验仪 器近几年也有一定的发展，小型直剪目前多采用r o s s b r o w n 等研制的轻便剪切 仪，室内试验机国内外已经开始使用伺服直剪仪，夏才初等1 9 】还研究了直剪仪 计算机辅助测试系统，将数据采集，数据处理和测试控制融为一体，大大提高 了试验的自动化水平，减小了人为误差的影响。近几年随着伺服直剪的发展， 不少学者提出了直剪试验中可以采用单点法试验代替多点法【1 0 l “l 。单点法测试 时，用一个试件就能测出岩石c ，p 值，与多点法相比，试件的利用率高。文献【1 1 】 在比较单点法和多点法后认为，对胶结良好的硬性结构面，采用单点法的结果， 其抗剪断参数偏低，抗剪参数偏高；并建议对于中小型工程，结构面抗剪试验 可以考虑采用单点法，对于大型工程及重要工程原则上按多点法进行。 ( 3 ) 其它的一些试验方法 岩体的单轴抗压强度除了可以崩上葡的压力机测得丽外还可以在现场对 岩：荟或其它形状的岩块作点荷载试验获得，这种试验对试件没有特殊的要求， 所以不用对试件作特殊的加工，非常方便。试验表明岩石的点试验指标与其单 轴抗压强度之间存在着合理的相关性，文献【1 2 中建议二者的关系为o 。= 2 4 i 。， 国内学者【1 3 1 给出的关系式为o 。= 2 6 4 i 。，利用岩石声波探测技术进行岩石的分 类、分级，在国内已经开始大量应用，文献【1 4 】 1 5 1 6 】在国内几个水电项目岩 石声波探测的基础上研究了纵波波速同各种岩石类别、含水量、密度、风化程 度、层面位嚣的关系。根据典型的岩体结构概化模型在计算机上模拟现场岩体 的力学试验讵在为越来越多的研究人员所重视，张有天岩石高边坡的变形与 稳定中专门研究了室内岩块的抗拉和抗压试验的的模拟技术，进行了结构岩 体的现场承压板试验和三轴抗压试验的计算机模拟，为了模拟试件破坏的整个 过程，提出了采用显示差分法软件f l a c 3 d 进行模拟，以防止非线性迭代难于 收敛的问题，文献【1 7 】中模拟了节理一岩桥组合剪切实验过程，文献【1 8 则研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 了含节理岩块单轴受压试验三维离散元数值模拟。 1 2 2 用工程反分析法取得相关的参数 工程反分析法根据已知的量( 位移、应力) ，反过来推算物体的材料特性， 初始条件或边界条件。利用工程反分析求解材料的力学特性时，要注意抓住主 要的因素，尽可能忽略次要因素，减少未知量的数目。还有一步至关重要，就 是要正确选择材料本构模型。在边坡工程中，主要是位移反分析，材料的泊松 比u 对应力和位移场影响并不大，它的数值变化范围也很小，所以通常不必对 泊松比进行反分析，材料的自重也能较准确的测定，可以按已知量计算，因此 在边坡工程中，当材料本构为弹塑性，屈服准则采用m o h r c o u l o m b 准则时，主 要未知量是材料的变形模量e ，抗剪强度指标c ，妒。对于像岩土体这样的非线性 固体的反分析，一般多采用优化的方法。设已经取得n 1 个位移实测值和n 2 个应 力实测值，反分析的方法可归结为，求r = k ，工：，屯，x m 】，使加权误差平方 和为i ”j ： s = 戮舞一t 心o ) i p ，卜小 ， 并约束条件： x j x j ( = 1 , 2 ，3 m ) ( 1 2 ) 式中：茸为实测位移分量值；o ? 为实测应力分量值；x 为x ，的下限；x ：为r 的 上限；为权系数。 ( 1 ) 边坡工程弹性模量位移反分析 边坡工程作为一种地表工程与其它的岩土工程相比有着自己的特点：工 程规模一般较大，涉及的介质较多；初始地应力场受地形、介质等的影响较 大；施工周期长，时效因素较为显著：监测与施工很难同步进行。由于 这些特点的存在，邓建辉等【2 0 1 认为边坡工程需要建立自己的反分析模型，不能 借用地下工程的位移反分析方法。邓建辉等建立的模型，首先考虑了多种介质 弹性模量位移反演，其次扬弃了一步开挖假定，反分析的基础位移数据可以是 阶段开挖位移增量。为了减轻反演工作难度，所建立的模型假定初始地应力场 已知，每种介质属于均匀各向同性线弹性体。 ( 2 ) 边坡岩体抗剪强度参数的反演计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 岩体强度反分析方法是根据现有的岩体工程结构物评价岩体性质的经验方 法。目前常用的边坡的反分析方法有：假定内摩擦角值舻或粘结力c 计算另一 值；使用破坏边坡的主剖面和同一破坏边坡内靠近主剖面的另一剖面，或使 用具有类似地质和水文地质条件的破坏边坡的2 个剖面，建立2 个方程然后计 算c 和p ；因同一材料力学性质和不同地点的变化性利用2 个以上的边坡剖 ，。1 、 面”条c 妒) 曲线获得多达墨荨_ 个交点的多解。一组连续曲线代表反分析的范 2 围，由此可以在工程判断、经验的基础上获得最切合实际的解，如果能得到抗 剪强度的试验结果，可用其作以检验。上述反分析方法都是基于服从线性 m o h r c o u l o m b 破坏准则的材料抗剪强度参数的反分析。对于密集节理化碎裂结 构岩体边坡，这种线性反分析会给分析结果带来一定误差。索梅茨等【2 l j 采用改 进h o e k b r o w n 准则，依据b i e n i a w s k i 的岩体评分( r m r ) 与h o e k b r o w n 材 料常数m 和s 的关系，通过试算r m r 。一r m r 。空问的极限状态面，求出破坏时常数 m ，s 所共有的月枷进而求得c ，妒值。但是r m r 在极差质量碎裂结构岩体中应 用受到很大局限性，赵学龙 2 2 1 采用h o e k b r o w n 破坏准则，依据地质强度指标 ( g s i ) 提出一种非线性边坡岩体强度反分析方法。 1 2 3 工程类比法 当边坡没有相关的试验参数，根据已建工程的可靠的资料，经过对比分析， 将经验数据加以调整后用于计算。采用工程类比法即经验法确定岩体的力学参 数要求设计人员要有很丰富的经验，而且一般来说，经验法所取的参数趋于保 守。表1 1 是几种典型的红层软岩的力学指标值犯”。 表1 1 川中某地砂泥岩岩钉物理力学参数表 抗压( m p a )抗拉( m p a )内聚力( m p a )中( 。) 泥岩 1 0 7 1 0 7 粉砂岩0 9 2 8 5 1 1 7 1 2 92 8 4 9 6 细砂岩1 1 7 3 5 71 9 2 7 41 24 6 4 中粗砂岩1 4 3 3 6 2 3 2 5 0 4 砾岩 4 3 4 4 8 73 3 8 各类软弱面与抗剪强度有关的参考值见表1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表l 一2 各类软弱面与抗剪强度有关的参考值 软弱面类型摩擦角( o )摩擦系数f粘聚力c ( k p a ) 各种泥化的软弱面，9 2 00 1 6 o3 60 5 0 夹泥断层，粘土岩层面，页岩层 2 0 3 00 3 6 0 5 85 0 1 0 0 面，绿泥石片理面 砂岩层面，石灰岩，叶岩层面， 3 0 4 00 5 8 o 8 45 0 - 1 0 0 构造节理 各种坚硬岩体的构造节理，部分 4 0 - 4 3 50 8 4 0 9 58 0 2 2 0 有时到5 0 0 砂岩层面 除了可以根据有关数据采集相关的力学参数而外，还可以通过一些经验公 式计算岩体的力学参数。张有天文献 2 3 1 中在统计资料的基础上提出风化带抗压 强度、变形模量与风化岩体孔隙率或含水率的经验关系式。关于节理岩体的抗 剪强度指标的确定，h o e k b r o w n 分析了大量岩柱的单轴和三轴试验，提出了基 于南非岩体质量分类体系的用于确定节理岩体抗剪强度的经验公式，国内也有 很多学者对这种方法作过深入细致的研究，对该方法有关参数的取值提出了许 多建议，文献 2 4 ，2 5 ，2 6 是国内研究学者对该方法的研究成果。有关结构面的抗 剪强度，国内外学者提出了许多关于节理面的抗剪强度公式。1 9 6 6 年，p a t t o n ”j 认为结构面在剪切时按一定角度“爬坡”，伴随这种滑动必然有结构面的扩容， 当法向应力超过某一临界值时，倾斜粗糙面上的滑动被抑制，切断锯齿而发生 剪切破坏，最终达到残余剪切强度。由此p a t t o n 提出了剪涨公式和双直线剪切 强度公式，这两个公式只能用在有效应力为零和极大的两种极端情况。j a e g e r 【2 7 | 的研究发现，结构面上的突起从起爬坡作用到全部被剪断是一个累进过程，随 着法向应力的增大，被剪断的突起逐渐增加，由此得到负指数剪切强度公式 r = c ( 1 一e “。i + o - t a n 妒，这个公式只是对p a t t o n 双直线剪切强度公式的光滑，与 p a t t o n 没有本质的区别。l a n d a n y i 和a r c h am b a u l t 【28 】把摩擦力，剪涨性，粘结性 和岩桥的强度对峰值的影响综合起来，推导出一个有岩桥的节理峰值强度经验 公式：f ：! ! ! 二生鼻! 二孥! 塑卫! 五。b a r t o n 【2 9 1 根据随法向应力变化的扩容性及 i t l a ，j t a n 妒6 无填充结构面面壁粗糙度和强度情况，提出了一个峰值抗剪强度的经验计算公 厂 ，一o 、 、 式：r = 盯t a n j r c l g l 竺兰i + 仇l 。b a r t o n 提出的抗剪强度公式用起来比较简便， l盯j 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 是个较为适用的公式，但这一公式中粗糙度j r c 的测量受人为因素影响大， 精度差。国内外的有关学者研究将分形几何中的分形维数用柬描述这种粗糙性， 并取得一定的进展。t u r k 3 c a r r 3 ”，m u r a l h a & c h a r r u a - - g r a c e 3 2 】，l e e 等吲以及 w a k a h a v a s h i & f u k u s h i g e 3 4 1 使用分形几何的码尺方法【35 】直接测量了节理面的分 形维数。m u r a l h a 3 6 1 使用周长一面积关系间接地测量了节理剖面的分维。谢和平 3 7 , 3 8 建立了一个节理的分形理论模型来模拟节理的粗糙性。张林洪 3 9 , 4 0 1 建议利 用岩壁回弹值计算结构面岩壁的抗压强度，还提出了利用摄影测量技术获取结 构面的三维坐标来代替粗糙度的计算，在一定程度上减小了人为误差的影响。 文献4 1 通过大量的试验和整理国内外试验结果，提出了一种结构面抗剪强度公 式： 0 4 1 4 n + 9 2 7 3 + ( 6 4 1 + 2 4 5 1 s e ) ，g ( ) m 。， 总体而言，以上各种经验方法都有各自的优缺点，目前国内多采用b a r t o n 公式，在正确选择其两个参数的前提下，该公式是可以获得可靠的数据的。 1 2 4 利用工程岩体质量分级标准确定红层软岩力学参数 岩体分级是以某种尺度，即标准、规范和一些较高科学性和实用性的方法 对工程岩体的力学性质或稳定性作出评价。由于他们来源于众多工程实践经验， 通过科学的经验归纳总结得出，所以能广泛应用于各种类型的岩土工程。利用 岩体分级的方法确定红层软岩的力学参数特点是快速，不需要详尽的岩石力学 测试数据，尤其是现场的大型岩石力学试验。对于评价的场所有很强的针对性， 当现场条件改变时，可以根据重新作出的岩体分级结果，及时修正设计和施工， 采取必要的加固处理措施。 工程岩体质量分级标准( 国家标准g b 5 0 2 1 8 - 9 4 ) 核心【4 2 】是岩体基本质 量，由岩石坚硬程度和岩石完整程度共同确定，高的岩石坚硬程度和好的岩体 完整性，意味着好的岩体基本质量；低的岩石坚硬程度和低的岩体完整性，意 味着差的岩体质量。但是，当岩石坚硬程度达到一定值时，再高的岩石坚硬程 度也不会使岩体基本质量有显著提高，此时，岩体基本质量主要取决于岩体的 完整性；另外，当岩石坚硬程度很低时，过高的岩体完整性也不会使岩体基本 质量显著提高，此时，岩体基本质量主要取决于岩石的坚硬程度。 以上的基本思想反映在岩体基本质量指标 b q 的计算中， 1 3 q 】由下式计 算： 【b q 2 9 0 + 2 5 0 k v + 3 正 ( 卜4 ) k v 是岩体完整性系数，为岩体声波纵波速度与岩石声波纵波速度速度比的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 是一个较为适用的公式，但这一公式中粗糙度j r c 的测量受人为因素影响夫， 精度差。国内外的有关学者研究将分形几何中的分形维数辟j 柬描述这种料糙性， 并取得一定的进展。t u r k t 】c a r r 1 ，ml r a _ 勰c h a r r u a g r a c e 3 2 ，l e e 等3 1 以及 w a k a h a v a s h i & f u k u s h i g e p 4 1 1 吏用分形几何的码尺方法1 3 5 1 直接铡量了节理而的分 形维数。m u r a l h a 圳使用周k 一面积关系问接地测量了节理剖面的分维。谢和平 b t ”1 建立了一个节理的分形理论模型来模拟节理的粗糙性。张林洪1 3 q , 4 0 1 建议刊 用岩壁回弹值计算结构面岩擘的抗压强度，还提出了利用摄影测量技术抉取结 构面的三维坐标来代替租糙度的计算，在一定程度上减小了人为误差的影响。 文献4 1 通过火量的试验和整理国内外试验结果，提出了一种结构面抗剪强度公 式： rrd、 f = o - f0 4 1 4 n 十9 2 7 3 + 扣4 1 + 2 4 5 1 s f ) i g f1 f f ( 卜3 ) l 7 “j 总体而言，以上各种经验方法都有各自的优缺点，目前国内多采用b a r t o n 公式，在下确选择其两个参数的前提下，该公式是可以获得可靠的数据的。 1 2 4 利用工程岩体质量分级标准确定红层软岩力学参数 岩体分级是以某种尺度，即标准、规范和一些较高科学性和实用性的方法 对工程岩体的力学性质或稳定性作出评价。由于他们来源丁众多工程实践经验， 通过科学的经验归纳总结得出，所以能广泛应用于各种类型的岩土工程。利用 岩体分数的方法确定红层软岩的力学参数特点是快速，不需要详尽的岩石力学 测试数据，尤其是现场的大型岩石力学试验。对于评价的场所有很强的针对性， 当现场条件改变时，可以根据重新作出的岩体分级结果，及时修正设计和施工， 采取必要的加固处理措施。 工程岩体质量分级标准( 国家标准g b 5 0 2 1 8 - 9 4 ) 核心【4 “是岩体基本质 量，由岩石坚硬程度和岩石完整程度共同确定，高的岩石坚硬程度和立的岩体 完整性，意味着好的岩体基本质量；低的岩石坚硬程度和低的岩体完整性，意 味着差的岩体质量。但是，当岩石坚硬程度达到一定值时，再高的岩石坚硬程 度也不会使岩体基本质量有显著提高，此时，岩体基夺质量主要取决于岩体的 完整性；另外，当岩石坚硬程度很低时，过高的岩体完整性也不会使岩体基本 质量显著提高此时，岩体基本质量主要取决于岩石的峰硬程度。 以上的基本思想反映在岩体基本质量指标 b q 的计算中， b q 】出下式计 算： i b q = 9 0 + 2 5 0 k v + 3 旺 ( 卜4 ) k 。是岩体完整性系数，为岩体声波纵波速度与岩石声波纵波速度速度比的 k v 是岩体完整性系数，为岩体声波纵波速度与岩石声波纵波速度速度比的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 根据计算得到的 b q 值，确定岩体的基本质量级别。 红层软岩的力学参数和岩体基本质量密切相关，工程岩体质量分级标准 提供了各级岩体的物理力学学参数，一旦确定岩体的基本质量指标，就可以确 定岩体的力学参数4 2 1 。 表1 3按分级标准确定岩体力学参数 岩体基本质岩体基本岩体变型模 泊松比 岩体峰值抗剪强度 量指标质量分级量( g p a )摩擦系数粘聚力( m p a ) 2 5 0v o 3 5 o5 3 3 2 1 与现场试验及其它一系列室内试验相比，测量岩体基本质量指标要简单易 行，因此通过测量岩体基本质量指标是获得岩体力学参数的一个快捷方式。文 献 2 3 】对此方法作了相应的研究，并根据三峡船闸高边坡某岩体建立了弹性模量 与岩体基本质量指标【b q 的关系式。 1 3 岩土工程勘察规范建议的参数分析与选定方法 一般而言，岩土参数可分为两大类，其一是评价指标，用以评定岩土体的 性质，作为划分地层鉴定类别的主要依据。其二是计算指标，用以岩土工程设 计，预测岩土体在荷载和自然条件作用下的力学行为及变化趋势，指导施工与 监测。在边坡稳定性分析中，常用的方法有定性分析方法例如工程地质类比法、 图解法等，以及定量分析方法例如极限平衡法、数值分析法( 有限单元法、离 散单元法等) 。这些分析方法对参数的要求不同，定性分析法主要通过地质方法 和工程类比选取参数，定量分析法要求的参数较多，包括强度和变形参数。本 项目对红层软岩边坡工程关键岩体力学参数的研究，主要研究其计算指标。通 过上述方法特别是试验方法获取参数后，如何分析与选定才能将正确的参数用 于边坡稳定性分析中，岩土工程勘察规范对此提出了建议。为与本项目研究 成果作比较，现简述如下。 该规范要求在选用岩土参数前，应按下列内容分析所获得的岩土参数的可 靠性和适用性，即取样方法及其他因素对试验结果的影响：采用的试验方法和 取值标准：不同测试方法所得结果的分析比较。在此基础上利用统计学知识选 o f2 j 击。扩单， ( 1 6 ) 式中是岩土的物理力学指标的测试数据；n 是区段及层位范围内数据的个数。 岩土参数的变异系数6 应按下式确定并按表1 4 评价。 占：!( 卜7 ) 。 表卜4 参数变异性 变异系数j6 0 t01 6 020 2 6 0 30 3 6 0 46 0 4 变异一陛很低低中等高很高 主要参数宜绘制沿钻孔深度变化的图件，并按变化特点划分相关型和非相 关型。当需要时应分析参数在水平方向上的变异规律。相关型参数宜结合岩土 参数与深度的经验关系，并按下式确定变异系数： 占= l( 1 8 ) 厶 盯，= 盯r 4 1 一r 2 ( 1 9 ) 式中仃，是剩余标准差；r 是相关系数；对非相关型：r = o 。按变异系数，将岩土 参数随深度的变异特征划分为均一型( 6 o 3 ) 和剧变型( 6 0 3 ) 。 关于岩土参数的标准值和设计值，可按下列方法确定。 标准值 可按下式计算： = 儿六， ( 1 1 0 ) 厶是岩土参数的平均值；九是统计修j 下系数。统计修正系数九可按下式估算： 舻1 ( 半4 - 4 6 ，7 8 ，- 6 ( 1 1 1 ) 豪= 百 登熬 露 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 式( 1 一1 1 ) 中丁e 负号按不利组合考虑，如计算d 、妒值的修正系数取负号。r 也 可按岩土工程的类型和重要性、参数的变异性和统计时数据的个数，根据经验 选用。 由此可见该规范建议的参数选用方法，主要是统计学的角度考虑，在应用 于红层边坡稳定性分析时，还要结合红层软岩的力学性质和稳定性分析方法综 合加以考虑，这将在以后的章节中详细论述。 1 4 研究内容 从现有岩体力学参数研究成果可以看出，人们已经在岩体力学参数的获取 和选用方面做了较多的研究工作，也取得了一定的研究成果，制定了相应的规 范。目前获取参数的方法有试验( 室内试验、现场试验、工程监测等) 法、工 程类比法、反分析法等，这些方法己较为成熟，同样适合于红层软岩边坡工程。 在参数的分析与选用方面，虽然有数理统计的方法、工程岩体质量分级的方法、 h o e k b r o w n 的方法等，但是这些方法是一个大的原则，有必要根据红层软岩的 特殊性质进行细化，提出简单实用的岩土参数选取方法。h o e k - b r o w n 的方法考 虑了材料的强度特征，又将岩体质量分级结合起来，既可选取强度指标，又可 选取变形指标，较为适合于边坡稳定性的数值计算分析。本项研究将对这一方 法加以改进，提出更适合于红层软岩的h o e k b r o w n 的参数选取方法。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 )在统计川、滇、甘肃三地红层物理力学参数的基础上，给出了红层软 岩边坡稳定性分析所需的几个关键岩体力学参数及其取值范围。 2 )进行岩土参数的敏感性分析； 3 )研究数值计算中关键岩体力学参数的选取； 4 )研究极限平衡分析中关键岩体力学参数的选取。 堕查茎鎏盔兰塑主堡塞兰鲎焦笙塞蔓! ! 戛 第2 章红层软岩力学参数值及敏感性分析 2 1 红层软岩的物质成分 红层软岩的岩体力学参数与其岩体中的岩石种类、岩石的矿物成分以及化 学成分的含量有关，为了更好地研究红层软岩的物理力学参数，在研究其岩体 力学参数的相关性和敏感性之前，首先分析组成红层岩石的物质成分。表 2 1 之一3 给出了四川、云南等地红层岩石的物质成分及化学成分资料，可以得出 如下红层岩石的矿物成分和化学成分的组成规律。 ( 1 ) 各地红层的主要岩石有砂岩( 中、粗、细砂岩、砂岩、粉砂岩、泥质粉砂 岩等) 和泥岩( 粉砂质泥岩、泥岩等) 。可以将它们分成硬质岩组和软质岩组， 硬质岩组的岩石有中、细砂岩、砂岩、长石砂岩、钙质粉砂岩、泥质细砂岩等。 软质岩组的岩石有粉砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质页岩等。 ( 2 ) 各地红层岩石的主要矿物成分都有石英、长石、方解石、粘土矿物，还 含有少量燧石、云母、石膏、芒硝等，因此不同区域红层的矿物成分没有较大 的区域性的差异。 ( 3 ) 不同岩石的矿物成分有一定的差别，硬质岩组中的砂岩、细砂岩等，石 英及长石的含量较高，多在4 0 以上。软质岩组中的泥岩、泥质粉砂岩等石英 及长石的含量一般小于4 0 ，泥质成分及粘土矿物含量较高，一般在4 0 以上， 这些矿物成分严重影响红层软岩的强度和变形特性。 ( 4 ) 红层岩石化学成分中主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物。其中绝大多 数岩石中的s i o ，含量最高，几乎占一半阻上。其次是4 ，n ，约占1 0 2 3 。 f e 2 0 3 的含量也较高，一般都超过5 ，最高达到7 2 。也有较多的m g o 含量， 般都超过2 ，最高达到1 2 1 8 。不同区域红层的化学成分也没有较大的区 域性的差异。此外西昌滇中红层还含有t i 0 2 、k 2 0 、n a 2 0 、m n o 、p 2 0 5 等化学 成分，其中k 2 0 的含量达至l j ( 3 3 7 3 7 6 ) 。 表2 - 1 红层岩石矿物成分表 红地 矿物成分 层层岩石名 苴时称 方解高岭绢云白云 水 或代 石英长石 绿泥石钙铁泥岩其 石石母母 石 石膏质质质崩它 母 删 j 粞砂岩4 0 - 5 5 2 5 少 1 0 - i i 2 0 盒 j 中砂岩4 0 - 7 01 0 3 8 5 少 也 甄 j 绷砂岩 4 5 - 6 58 1 52 5 3 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 层 8j 粉砂岩 5 5 8 03 53 55 2 05 6 粉砂质泥 j 岩( 铁质、 2 5 4 0l 33 1 0 1 0 2 0 钙质、 4 06 0 粉砂质泥 4 0 j5 2 0 31 5 2 0l5 岩( 泥质) 8 0 泥质粉 j3 5 5 05 5 0 5 1 053 0 砂岩 j泥岩4 0 5 5 钙质细 少 k2 0 6 0 3 7 1 0 2 0 2 5 砂岩 k 砂岩 7 3 7 9l 48 1 5 2 k长石砂岩 5 0 2 0i53 泥质细 2 k4 0 7 0 4 b5 2 03 1 3 砂岩 钙质粉 1 0 3 k3 0 5 0 2 71 0 3 03 1 5 砂岩 泥质粉 k2 0 6 0 2 88 153 1 0 k r ，设计人员 也难以肯定地说边坡是稳定的。其原因是因为岩土参数的时空变异性，给出的 一组初始值的准确程度很难予以判断，因此设计人员非常关注的问题是式( 2 1 ) 中的参数特别是关键参数发生变化时，由初始值计算出的k 值会发生多大的变 化? 边坡是否稳定? 本节将针对设计人员关注的问题讨论边坡的稳定性对参数 变化的敏感性问题，为设计人员在参数取值方面提供依据。 目前的边坡工程设计中，除了高陡特殊边坡采用数值计算分析外，一般都 采用极限平衡法对边坡的稳定性进行分析和设计计算。为了便于从理论上说明 边坡稳定性对岩体力学参数的敏感性问题，下面以极限平衡法的理论计算公式 为例，对此问题加以分析和讨论。 2 4 2 受结构面控制的边坡稳定对参数的敏感性分析 当边坡内有控制性结构面，一般会沿着该结构面发生平面滑移破坏，滑体 后缘会产生张裂缝，张裂缝内会充满水压力，如图2 - 1 所示。按照极限平衡分 析法，关键岩体力学参数有：坡高h 、张裂缝深度z 、张裂缝中的水深z w 、结 构面的粘结力c 和内摩擦角中、结构面倾角a 、开挖坡面的倾角1 3 以及滑体容 重v ，共八个影响参数。其中p 与开挖坡面的坡比l ：n 有关，例如当n = 0 7 5 时， 可计算出 3 = t a n o ( 1 ：o 7 5 ) = 5 3 1 3 。此时稳定性系数即安全系数可以按照下面 的公式计算： k：(wcosa-u-vsin c z ) t a nc p + c l ( 2 2 ) w s i n 口+ 矿c o s t 2 其中u = = 1 ，。z 。一z ) c s c 口 y = 砂1 z ： ( 2 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 h 上= ( j v z ) s i n 口 a ) 张节理在坡碾 ( 2 d ) b ) 张节理在坡面 图2 - 1 边坡具有张节理的计算图 当张裂缝位于坡顶( 图2 1 a ) ) 上时： = 圭归r 彳2 ，一( 吾) 2 c 。t 口一c 。t ) 当张裂缝位于坡面( 图2 - l b ) ) 上时： 彬= 互1 膨2 【( 1 一百z j 2c 。t 口( c o t a t a l l 卢一1 ) 】 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 先对八个影响参数分别给定一个初始值，如表2 2 1 所示，由此计算出的稳 定系数为k = i 2 7 2 。下面的计算中分别假定其中一个参数发生变化，而其余7 个参数仍然取表中的初始值，用以分析每个参数对稳定性的敏感性。 表2 2 1 边坡稳定性敏感分析的初始参数 裂隙深度z静水压力 结构面参数 坡比 h ( m ) y ( m ) z w ( m ) 中( o )c ( k p a )1 3 ( o ) k n m 31 ：“ 初始取值 3 01 5 51 3 52 84 52 02 21 ：0 7 5 ( 1 ) 边坡高度h 变化对稳定性的影响 假设边坡高度h 是式( 2 - 5 ) 中的自变量，其他的几个参数仍然取表2 2 1 中的初始值。由此得出的k 与h 的关系为： ， 10 9 7 8 h2 + 2 6 6 3 7 h 一4 2 0 6 3 6 ，。m 。i 瓜矛_ = 面而广 忆 由上式可知，k 随的变化较为复杂，总体而言是随h 的增加而增加。该式 有一个极限值，即k = 1 0 9 7 8 7 5 1 5 = 1 4 6 。这个结论对于顺层边坡特别重要， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 它说明边坡的高度越高，其稳定性系数越趋于稳定。如果用初始值计算出来的 这个极限值k 。的值不大，例如k j = 1 0 5 ，由于k 值不会随坡高的增加而增加，在 外界因素影响下，边坡如果发生失稳，将出现工程上见到的“一塌到顶”的现 象。h 的取值从2 5 m 开始到7 0 m ，间隔5 m ，由此得出的安全系数的变化曲线如图 2 2 所示。 嚣。” 嵇i 5 4 。 15 5 13 0 1 2 ， 1 2 0 1 1 5 1 1 口 1a s 蠢o 裎。 13 0 1 e ， 1 6 1 1 0 _ ) 1o s 图2