（地质工程专业论文）软硬相间层状岩体变形参数理论研究及工程应用.pdf

摘要 在实际工程中经常遇到由不同岩性组成的软硬相问层状工程岩体，这类岩体 是由具有不同变形参数的岩体组成的复合岩体。这种复合岩体的变形参数不取决 于某一层岩体的变形参数，而是与组成复合岩体的各岩性岩体变形参数、岩层面 倾角和各岩性的厚度比相关的。如何正确评价软硬相间层状岩体的变形参数对与 以此类岩体作为地基的工程具有十分重要的意义。 本论文以金沙江观音岩水电站软硬相间层状坝基岩体为原型，通过合理的概 化，从理论上推导出软硬相间层状岩体在外力作用下的应力应变关系，获得层 状岩体在任意倾角下综合变形参数与各单层岩体变形参数及对应岩层厚度比、岩 层倾角的相互关系一即层状岩体综合变形模量的理论解。在金沙江观音岩水电站 工程现场开展四种种岩体( 砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩) 的单层岩体原位变形试 验和复合岩体综合变形模量的原位大型试验，进一步验证层状岩体综合变形模量 的理论解。在室内开展对应的两种岩体和三种岩体在一定厚度比下特定倾角下的 物理模型综合变形试验，对层状岩体综合变形模量的理论公式进行验证。最后利 用国际上通用的最先进的非线性有限元分析软件对层状岩体综合变形模量进行数 值模拟计算，并进行理论解、现场原位试验、物理模拟试验和数值分析的综合评 价。 通过对软硬相问层状岩体综合变形参数的理论、试验和数值模拟对比分析， 建立起层状岩体综合变形模量求解从理论到试验再至数值分析的完善步骤，获得 能够应用于实际工程的层状岩体综合变形模量求解方法，并对金沙江观音岩水电 站软硬相间层状坝基进行综合变形模量评价。 关键词：软硬相间层状岩体变形参数原位试验模拟试验数值分析 a b s t r a c t i nt h ea c t u a lp r o j e c t ，f r e q u e n t l ym e e t sp r o j e c tr o c km a s sc o m p o s e db ys o f ta n d h a r da l t e r n a t e dl a y e r e dr o c km a s sw i t hd i f f e r e n tl i t h o l o g i c a lc h a r a c t e r t h i sk i n do f r o c k m a s si st h ec o m p o u n dr o c km a s sb yw h i c ht h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o np a r a m e t e r st h e r o c km a s si s c o m p o s e d t h ec o m p o u n dr o c km a s sd e f o r m a t i o np a r a m e t e r si sn o t d e c i d e db ys o m es t r a t i f i e dr o c k b o d yd e f o r m a t i o np a r a m e t e r s ，b u td e c i d e db yt h e d e f o r m a t i o np a r a m e t e r s ，t h er o c kl a y e ri n c l i n a t i o na n g l ea n dt h i c k n e s so fe a c hr o c k l a y e r i th a st h ee x t r e m e l yv i t a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ep r o j e c tw i t ht h i sk i n do fr o c km a s s a st h eg r o u n dh o wc o r r e c t l yc o m m e n t st h ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r so fs o f ta n dh a r d a l t e r n a t e dl a y e r e dr o c k s t h i sp a p e rs o f ta n dh a r da l t e r n a t e dl a y e r e dr o c km a s st a k et h ed a mb e d r o c km a s s o fv a n g t z er i v e rg u a ny i ny a n h y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o na sap r o t o t y p e ，t h r o u g hi s r e a s o n a b l eg e n e r a l l ym e l t s ，t h e o r e t i c a l l yi n f e r st h er e l a t i o n sb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i no f t h es o f ta n dh a r da l t e r n a t e dl a y e r e dr o c km a s su n d e re x o g e n i cp r o c e s sa n do b t a i n st h e s y n t h e s i sm o d u l u so fd e f o r m a t i o nt h e o r ys o l u t i o no fs o f ta n dh a r da l t e r n a t e dl a y e r e d r o c km a s s d e v e l o p st h es i n g l es t r a t i f i e dr o c km a s sh o m e p o s i t i o nd i s t o r t i o ne x p e r i m e n t o f a l ls o r t so f r o c km a s si nt h ey a n g t z er i v e rg u a ny i ny a nh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n p r o j e c ts c e n e ( c o n g l o m e r a t e ，s a n d s t o n e ，s i l t s t o n ea n dm u d s t o n e ) a n dt h eh o m ep o s i t i o n l a r g e s c a l ee x p e r i m e n to fc o m p o u n dr o c km a s s ，f u r t h e rc o n f i r m st h es y n t h e s i sm o d u l u s o fd e f o r m a t i o nt h e o r ys o l u t i o no fl a y e r e dr o c k sb o d y c a r r i e so u tp h y s i c a lm o d e l s y n t h e s i sd i s t o r t i o ne x p e r i m e n to fc o r r e s p o n d i n gt w ok i n do f r o c km a s sa n dt h r e ek i n d o fr o c km a s sw i t hc e r t a i nt h i c k n e s sc o m p a r e dt ot h eu n d e rs p e c i f i ci n c l i n a t i o na n g l e u n d e r ，c a r r i e so nt h ec o n f i r m a t i o nt ot h el a y e r e dr o c k sb o d ys y n t h e s i sm o d u l u so f d e f o r m a t i o nt h e o r e t i c a lf o r m u l a f i n a l l yu s e so ni n t e r n a t i o n a lg e n e r a lm o s ta d v a n c e d n o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et oc a r r yo nt h ev a l u ea n a l o gc o m p u t a t i o nt o t h el a y e r e dr o c k sb o d ys y n t h e s i sm o d u l u so fd e f o r m a t i o n ，a n dc a r r i e so nt h et h e o r y s o l u t i o n ，t h es c e n eh o m ep o s i t i o ne x p e r i m e n t ，t h ep h y s i c a la n a l o g u ee x p e r i m e n ta n dt h e n u m e r i c a la n a l y s i ss y n t h e s i sa p p r a i s a l t h r o u g hc o n t r a s ta n a l y s i st h et h e o r y ，e x p e r i m e n t a la n dt h ev a l u es i m u l a t i o no fs o f t a n dh a r da l t e r n a t e dl a y e r e dr o c k sm a s ss y n t h e s i sd e f o r m a t i o np a r a m e t e r s ，e s t a b l i s h e s t h ep e r f e c ts t e po fl a y e r e dr o c k sm a s ss y n t h e s i sm o d u l u so fd e f o r m a t i o nt os o l v ef r o m t h et h e o r yt ot h ee x p e r i m e n ta g a i nt ot h en u m e r i c a la n a l y s i s o b t a i n sc a na p p l yt ot h e a c t u a lp r o j e c tl a y e r e dr o c k sm a s ss y n t h e s i sm o d u l u so fd e f o r m a t i o ns o l u t i o nm e t h o d a n da p p r a i s a lt h es y n t h e s i sm o d u l u so fd e f o r m a t i o no fs o f ta n dh a r da l t e m a t e dl a y e r e d r o c km a s so f d a mb a s et ot h ey a n g t z er i v e rg u a ny i ny a nh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n k e y w o r d s ：s o f ta n d h a r da l t e m a t e d l a y e r e dr o c km a s s d e f o r m a t i o np a r a m e t e r e x p e r i m e n ti ns i t e m o d e le x p e r i m e n t n u m e r i c a la n a l y s i s 1 前言 1 1 选题依据和研究意义 1 前言 随着人类社会的进步和发展，人类对自然界的影响与日俱增。进入二十一世 纪，人类正在自然界进行着越来越多的工程活动，而这些工程活动中绝大部分都 是在一定的地质环境中进行的【”，因此都不可避免的要涉及到地质体，其中相当一 部分为岩体。而岩体的力学特性对人类工程建设具有十分重要的意义，因此产生 了由工程力学和工程地质学相互渗透的边缘学科岩体力学。 上世纪中叶之后，随着矿山、土木工程建设的不断扩大，岩体力学越来越受 到重视，同时也促进了岩体力学理论和技术的发展。初期的岩体力学理论将岩体 看作一种完整的连续介质材料，移植连续介质力学理论和方法借以解决地质工程 中的岩体力学问题。但是研究者门逐渐认识到岩体并不是完整的连续介质，尤其 是对上世纪五十年代末和六十年代初国际上几次大型水坝的工程事故的研究使人 们更加清楚地认识到岩体是一种地质体，由结构面和被结构面所分隔的岩石所构 成，具有自身固有的成分、结构和工程地质规律性【2 3 1 。进一步的研究表明，岩 体在外力作用下的变形和破坏规律是岩体工程特性的核心部分。尤其是岩体的变 形特性，因为在工程岩体还处于小变形阶段时，通过合理的处理手段，是可以控 制其变形甚至将其作为工程岩体而加以利用的，若工程岩体一旦破坏必将对工程 造成不可挽回的损失。通常将岩体的变形特性定义为：岩体在荷载的作用下或在 开挖荷载时产生变形的性质 4 1 。在很多工程中，岩体都作为建筑物的基础，因此其 法向压缩变形对建筑物而言是至关重要的，表征岩体法向变形性的指标，一般采 用变形模量( e 。) 和弹性模量( e 。) 。因此几乎在所有的工程地质学、工程岩土学和 岩体力学书籍中对岩体的变形模量的理论计算公式和试验方法都进行了或多或少 的研究，然而这些书籍所研究的岩体无一例外地都是单一岩性，即只考虑单一岩 性岩体在荷载下的变形特征【“3 - 2 2 ，将岩体作为各向同性的均一介质考虑，忽视了 现实中的工程岩体有很多都不是均一的单一岩体，而是由多种岩性复合而成的， 是各向异性的特点。而各向同性的均一岩体和各向异性的复合岩体在外力的作用 下具有完全不同的变形特性，比如不同岩性岩体变形模量( e o ) 的差异就会导致复合 岩体组成的地基在荷载的作用下发生不均匀沉降，从而对上部建筑产生剪应力和 对角方向的拉应力【12 1 ，这种情况在各向同性的均一岩体中是不会发生的。图卜1 为一座混凝土大坝，坝基岩体由具有不同变形模量的三种岩性组成，且e 1 e 。 e 3 ， 那么由于坝基的不均匀沉降，在不同岩性的分界处就会对大坝产生剪应力。 成都理工大学硕士学位论文 e e 1 e e 3 图1 _ 1基岩内不同岩性变形特性不同而在混凝土坝中产生的剪应力( 据r e 古德曼) 对于具有不同变形参数的多种岩性复合地基而言，在外力作用下不同岩性岩 体在变形上会相互影响、相互协调。复合地基的变形参数不仅与各单层岩体的变 形参数有关，还与各岩性岩体的厚度比例、岩层倾角有关，用其中任何种岩性 岩体的变形参数来代替或对所有岩体变形参数进行简单的平均都是不合理的。正 确评价由多种岩性复合而成的层状岩体整体变形模量对于层状岩体地基具有十分 重要的现实意义，因此选取“软硬相间层状岩体变形参数理论研究及工程应用” 作为硕士学位论文。拟从弹塑性力学、工程岩土学、岩体力学等学科入手，推导 出软硬相间层状岩体变形参数的理论解；以室内物理模拟试验、三维有限元数值 分析和现场原位大型试验进行多重检验，以此建立起适合于软硬相间层状岩体的 力学模型体系；并成功的将这一研究成果应用于实际工程一金沙江观音岩水电站 坝基软硬相间层状岩体综合变形模量评价。 1 2 国内外研究动态 岩体力学是工程技术领域中专门研究岩体和岩体工程结构物变形和破坏规律 的一门学科，它随着矿山、土木、水电等工程的建设和力学理论的进步而产生和 发展。在1 9 世纪末以前，岩体工程技术主要凭生产实践经验；1 9 世纪末到2 0 世 纪3 0 年代，岩体工程开始引入连续介质力学理论分析岩体力学问题；2 0 世纪3 0 年代之后，弹性力学和塑性力学被引入岩体力学并能建立一些较为准确的岩体力 学模型，扩大解决实际问题的范围，提高了岩体力学求解的精度；2 0 世纪6 0 年代 之后，各类大型工程的建设为岩体力学提出了层出不穷的新鲜课题，使岩体力学 得到了蓬勃发展1 2 引。岩体已经不再被认为是各向同性的连续均一介质，国内外开 始关注层状或似层状岩体的各向异性特征，并开始了对层状复合岩体的本构关系、 物理试验和数值模拟等方面的研究。美中不足的是这些研究都将层状岩体的本构 1 前言 关系、物理试验和数值模拟作为三个相互孤立的内容单独研究。例如在层状岩体 的本构关系方面：国外较早的是l e k h n i t s k i is g ( 1 9 6 3 、1 9 8 7 ) 【2 4 2 5 1 从连续介质 的广义胡克定律出发，推导出了各向异性弹性体的一般方程，为以后层状岩体各 向异性的研究奠定了基础；b a r l a ( 1 9 7 4 ) 研究了将各向异性岩体当作各向同性岩体 处理所产生的误差问题；另外，g e r r a r d ( 1 9 8 2 ) ，a m a d e i ( 1 9 8 8 ) ( 2 “，a o k i ( 1 9 9 3 ) ， c r a w f a r d ( 1 9 9 5 ) 等国外学者相继对层状岩体或成层状节理岩体的强度、变形等 方面的各向异性进行了研究。国内相应的研究始于2 0 世纪8 0 年代，中国科学院 地质研究所孙广忠( 1 9 8 7 、2 0 0 4 ) 【2 7 2 8 】在其所著的岩体结构力学和地质工 程学原理等书中对水平和垂直层状岩体本构方程进行过研究；重庆大学鲜学福、 谭学术( 1 9 8 9 ) 【2 9 】在其层状岩体破坏机理一书中对水平层状岩体的本构关系 进行过研究；陕西机械学院刘考学( 1 9 9 0 ) 口0 研究了互层和节理岩体的粘弹性模 型；北京科技大学贺少辉、李中林( 1 9 9 4 ) 口1 】；武汉水力水电学院余成学、熊文 林、陈胜宏( 1 9 9 6 ) 3 2 1 ；重庆大学王宏图、鲜学福等( 1 9 9 9 ) d 3 1 都对层状岩体的 弹塑性本构关系进行过研究。上世纪9 0 年代之后，计算机技术得到了空前的发展， 高速计算机的不断涌现，使得复杂岩体数值模拟中冗繁的计算问题迎刃而解，因 此一些研究者开始对层状岩体力学特性进行数值分析：如东北工学院朱浮生、王 泳嘉( 1 9 9 2 ) 3 4 1 ；中科院武汉岩土研究所张玉军、刘谊平( 2 0 0 3 ) 3 5 1 ；同济大学 耿大新、杨林德( 2 0 0 3 ) 【3 6 j ，都对层状岩体的力学特性进行了数值分析。中科院 武汉岩土研究所盛谦( 1 9 9 6 1 9 9 9 ) 【3 o 】结合岩体力学和计算机理论，采用数值模拟 的方法研究过节理裂隙岩体的宏观力学参数，其中对岩体各向异性特点的考虑是 层状岩体数值模拟可以借鉴的。河海大学陈志坚、卓家寿( 2 0 0 0 ) 【4 1 1 等根据大量 的野外调查和室内试验研究，提出对层状岩体按岩性组合、软弱夹层、裂隙分布 规律及岩体结构的特征以样本单元法模拟现场大型原位试验对层状岩体力学模型 的数值模拟也具有建设性作用。 在层状岩体综合变形特性的试验和计算方面：不管是室内的物理模拟试验还 是现场原位试验研究都相对较少，见于文献的仅有：郭志( 1 9 8 5 ) 在“岩体变形 和破坏机制研究”【4 2 】一文中提到了对多种岩性复合岩体的变形试验，但仅仅是按 常规方法进行试验和数据处理，并没有考虑不同岩性不同变形特性对复合岩体综 合变形特性的影响。西南交大的胡卸文( 2 0 0 2 ) 1 4 3 1 研究过似层状结构岩体变形参 数的软弱层带厚度效应问题；长江科学院张漫等( 2 0 0 3 ) 【4 4 】对岩体变形试验分层 弹模计算进行了研究：另外，中科院武汉岩土研究所的郭志华、盛谦 4 5 1 ( 2 0 0 4 ) 曾以清江水布垭电站坝基的层状岩体为对象结合现场原位试验和室内数值模拟分 析对层状岩体的力学特性进行了很有价值的研究。 成都理工大学硕士学位论文 1 3 研究原型基本概况和研究路线 1 3 1 研究原型基本概况 金沙江观音岩水电站位于云南省华坪县与四川省攀枝花市分界的金沙江上， 是金沙江中游河段规划的八个梯级电站最下游一个梯级，初定坝高1 5 6 m ，正常蓄 水位高程1 1 3 6 m ，库容2 1 7 5 亿i l l 3 ，装机3 0 0 0 1 册，年发电量1 2 6 2 2 亿k w h 。 该电站自1 9 9 2 年进行规划工作，2 0 0 2 年国电公司昆明院进行预可研阶段工 程地质勘察，2 0 0 3 年底通过预可研阶段审查，推荐上坝址为选定坝址，并推荐混 合坝方案为代表性方案，该方案由混凝土重力坝和心墙堆石坝组合而成，混凝土 坝包括左岸非溢流坝段、河床厂房坝段、右岸溢流坝段。2 0 0 4 年1 月进入可行性 研究阶段的勘测设计工作。 坝址地层为侏罗系中统蛇店组( j ：s ) 地层( 图卜2 ) ，岩性为厚层砂岩( 砾岩) 夹粉砂岩、泥质岩的河湖相沉积岩。由于泥质岩层位较多多、强度低，与中厚层 砂岩构成的软硬相问层状岩体能否作为高混凝土坝的地基，是该工程坝型选择、 水工建筑布置需要解决的重大工程问题。 图例 口不蝗台界线 i ：二二，i 地层界线 区召背斜轴 ，查= ：_ 1 自斜轴 j ，j 岩层产状 目平硐盏 日钻孔栽) 图1 - 2 观音岩水电站坝基地层分布图 蛇店组是工程区主要地层，该组又可分为三段。由于此处侏罗系中统地层为 河湖相沉积岩，故按照沉积岩的沉积旋回特征进行分段： 下段( j 2 s 1 ) ：为棕红色中厚层状粉砂岩夹紫红色厚层巨厚层状铁质钙质 细粒岩屑石英砂岩，棕红色薄中厚层状泥质粉砂岩，局部互层。粉砂岩由石英、 1 前言 方解石、氧化铁和硅质岩屑组成，粉砂状结构，铁、钙质呈孔隙状胶结，岩石含 灰绿色条带或团块。泥质粉砂岩具崩解特性。厚度大于2 4 0 m 。 中段( j 。s 2 ) ：以紫红色厚层巨厚层状砾岩、铁质钙质含砾细粒岩屑石英砂 岩为主，夹棕红色薄中厚层状铁质钙质粉砂岩和泥质粉砂岩。砾岩由石灰岩屑、 硅质岩屑、粉砂( 泥质) 岩屑和石英、方解石组成，砂砾状结构，钙质呈孔隙状胶 结；粉砂岩中局部含灰绿色团块或条带。泥质粉砂岩具崩解特性。厚度2 0 0 2 5 0 m 。 中段区别于上下两段的标志层为紫红色厚层巨厚层状砾岩，且以一层砾岩为底 界。在根据此段中砾岩的多少分为两层： 第一层( j 2 s “) ：该层以厚层一巨厚层砾岩、石英砂岩为主，另有极少量的薄 层泥质粉砂岩。其中厚度大、延伸稳定的砾岩层共6 层，总厚度2 0 余米。 第二层( j ：s 2 ) ：该层以铁质钙质含砾细粒岩屑石英砂岩为主，夹棕红色薄 中厚层状铁质钙质粉砂岩和泥质粉砂岩和中厚层的砾岩。砾岩的含量明显低于第 一层，仅8 m 左右。 上段( j ：s 3 ) ：为紫红色厚层块状细粒砂岩、棕红色中厚层状铁质钙质粉 砂岩夹泥质粉砂岩，偶见浅灰色薄层泥质灰岩透镜体。上部夹灰色角砾状硅质灰 岩透镜体。细粒砂岩由石英、硅质岩屑和灰岩岩屑组成，细粒砂状结构，铁、钙 质呈孔隙状胶结。泥质粉砂岩具崩解特性。厚度约5 5 0 m 。本段的特征是有泥质灰 岩或硅质灰岩透镜体。根据本段地层的岩性组合又将其细分为6 层，并在现场统 计出各层中不同岩性的厚度百分比。 第一层( j 。s ”! ) ：位于中段第二层( j 2 s 2 ) 之上，以砂岩类( 包括细粒石英砂 岩、少量含砾砂岩、砾岩) 为主，夹粉砂岩和泥质岩类( 泥质粉砂岩、粉砂质泥 岩和泥岩) ，三类岩体所占的百分比依次为6 6 4 、1 8 9 和1 4 8 。 第二层( j 。s 3 。2 ) ：以粉砂岩为主( 占6 0 4 ) ，夹砂岩( 1 9 6 ) 和泥质粉砂岩 ( 2 0 o ) ，这一层的总厚度较薄，仅1 0 余米。 第三层( j 。s ”) ：以砂岩类为主( 占7 1 2 ) ，夹粉砂岩( 占1 7 9 ) 和泥质粉 砂岩( 1 0 9 3 。 第四层( j 。s ”) ：粉砂岩和泥质岩碎由所增加，但砂岩还是居多，占到6 4 7 ， 粉砂岩和泥质岩分别为1 9 7 和1 5 6 ，各类岩层交替分布。 第五层( j 。s “) ：以砂岩为主，夹少量的粉砂岩和泥质岩类，三类岩体所占的 比例依次为7 7 9 、1 2 8 和9 3 。 第六层( j 。s ”) ：该层只分布在右岸干坪子向斜的核部，以泥质粉砂岩类为主 ( 占5 4 8 ) ，夹少量砂岩( 3 _ 7 4 ) 和部分粉砂岩 2 7 8 ) 。 从图卜2 可知，观音岩坝址构造比较简单，以褶皱构造为主，断层不发育，规 模较大的褶皱有干坪子向斜和大平坝背斜，构造总体方向为n e l o 3 5 。坝址河谷 地段只好位于干坪子向斜和大坪坝北斜的公共翼。 成都理工大学硕士学位论文 干坪子向斜：向斜核部展布于上游龙井沟附近至下游观音岩沟东侧，呈北北东向 斜贯全区。核部为侏罗系中统蛇店组上段( j 2 s 3 ) ，核部宽缓，宽约l o o m ，两翼依次为 蛇店组中段( j 。s 2 ) 、下段( j 2 s 1 ) 和张河组( j 2 z ) 。东南翼岩层产状一般为n e2 2 3 5 。n w 么3 7 5 5 。，北西翼为n e l o 4 5 。s e z 3 6 4 3 。，两翼基本对称，在其轴部西 翼约l o o m 存在一小规模的次级向斜褶皱。 大平坝背斜：背斜核部展布在左岸大平坝至龙井沟一带，在地表的出露高程 在1 1 0 0 n 1 1 7 0 m 。轴向约n e1 0 。，在龙井沟下游的河道拐弯附近偏转为n e 5 0 。左 右；轴面倾向北西，向南倾伏。核部地层为冯家河组( j i f ) ，两翼由张河组( j 。z ) 和蛇店组( s ) 组成。北西翼岩层产状一般为n w l o 2 0 。s w 么1 5 3 0 。；南东翼 ( 即干坪于向斜北西翼) 岩层产状一般为n e l o 4 5 。s e 么3 6 5 8 。；为一向南西 方向倾伏的斜歪背斜。背斜与干坪子向斜公共翼岩层变陡，倾角为6 5 7 8 。 因此，观音岩水电站坝基岩体为软硬相间陡倾岩体，与河流呈3 0 。左右的小 角度相交，与未来混凝土重力坝呈大角度相交。这种复杂坝基的变形参数是以坝 基岩体中任何一种岩性岩体的变形参数所不能代表的，也不能用各种岩性变形参 数的简单平均值来评价。只有推导出这种软硬相间的陡倾层状岩体变形参数与各 种岩性变形参数、各岩性厚度及岩层倾角等因素之间的相互关系，才能正确的评 价其变形参数。因此本论文以观音岩水电站为原型，对软硬相间层状岩体变形参 数进行了理论、试验、数值模拟等多方面的对比研究，解决了软硬相间层状岩体 变形参数的综合取值问题。 1 3 2 研究路线 从国内外对软硬相间层状岩体变形参数的研究状况中可以看出，目前尚没有 学者将软硬相间层状岩体的本构关系、物理模拟试验、现场原位试验和数值模拟 结合起来研究。而对于软硬相间层状岩体的变形参数研究来说，以上任何一个方 面都是必要且重要的。研究层软硬相间状岩体的本构关系时，首先是将实际工程 中的软硬相问层状岩体作了一定的概化，因此由本构关系获得的理论解是否能够 反映真实岩体的变形特性关键在于由这一概化的软硬相问层状岩体力学模型的准 确性。实践是检验真理的标准，因此软硬相问层状岩体本构关系必须经过实践的 检验，即室内的物理模拟试验和现场的原位试验，只有得到试验验证正确的岩体 本构关系才能应用于实际。众所周知，岩体的原位试验都会受到很多现场条件的 制约，因此原位试验具有耗费大、耗时长及不能在所有理想位置进行试验的缺陷， 而随着现代计算机技术发展起来的数值模拟分析将原位试验遇到的问题逐一解 决，所以利用计算机技术对层状岩体进行数值模拟分析不失为研究层状岩体力学 特性的又一途径。由此可见，软硬相间层状岩体的本构关系、物理模拟试验、现 6 1 前言 场试验及计算机数值模拟是全面而准确研究岩体力学特性的四个有机结合的方 面，只有通过这四方面的对比研究才能全面而准确地揭示软硬相间层状岩体的力 学特性。因此本论文的核心研究内容包括以下几个方面： 1 ) 从岩石力学、岩体力学、弹塑性力学、工程岩土学入手从理论上推导出软 硬相间层状岩体( 具有不同力学特性的多种岩体) 在外力作用下的应力一应变关 系，获得层状岩体在任意倾角下综合和变形模量与各单层岩体变形模量及对应厚 度比、岩层倾角的相互关系一即层状岩体综合变形模量的理论解。 2 ) 在金沙江观音岩水电站工程现场开展四种岩体( 砾岩、砂岩、粉砂岩和泥 岩) 的单层岩体原位变形试验和软硬相问复合岩体综合变形参数的大型原位试验， 验证软硬相问层状岩体综合变形参数的理论解。 3 ) 在室内开展对应的两种岩体和三种岩体在一定厚度比和特定倾角( 0 。、 3 0 。、6 0 。、9 0 。) 下的物理模型综合变形试验，进一步验证软硬相间层状岩体 综合变形模量的理论公式，并与现场原位变形试验进行对比分析。 4 ) 利用国际上通用的最先进的非线性有限元分析软件对软硬相间层状岩体综 合变形模量进行数值模拟计算。该软件是基于位移法的有限元程序，在非线性分 析方面具有强大的功能，分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度 非线性求解技术。建立所有室内物理模型和现场原位试验的数值模型，进行对应 的数值分析计算，将计算结果与理论值和试验值作对比分析。 通过以上几个方面的研究，建立起层状岩体综合变形参数求解从理论到试验 再至数值分析的完善步骤，获得能够应用于实际工程的层状岩体综合变形参数求 解方法。 本论文的研究路线见技术路线图卜3 。研究按理论研究、试验验证和工程应用 三个方面结合进行，理论研究的主要任务是从力学理论的角度推导出软硬相间层 状岩体变形参数的理论解，试验验证部分主要是进行室内物理模拟试验和现场原 位试验及数值模拟试验，获得软硬相间层状岩体综合变形参数的试验值。将试验 值和理论值进行对比分析并修正和完善层状岩体变形参数的理论解方程。最后根 据完善的软硬相间层状岩体综合变形模量理论解方程对金沙江观音岩水电站坝基 软硬相问层状岩体进行综合变形模量评价。 成都理工大学硕士学位论文 软硬相间层状岩体本构关系研究i 岩体力学弹、塑性力学工程岩土学岩石力学 + 理 软硬相间层状岩体本构关系的建立 论 研 究 工程现场层状岩体 单层变形原位试验 r 软硬相间层状岩体综合变形参数理论计算值 对比i t 验证 l 软硬相间层状岩体综合变形参数试验值 工 室 程 内 现 物 场 合理理 一 室内物理工程现场室内数值 试 层 概化 模 模拟试验 原位试验 模拟分析 验 状 验 岩 型 ，丁 体 的 l上 一一 调 确 扩 定 修正后的软硬相间层状岩体本构方程 查 及综合变形模量计算公式 上 工 金沙江观音岩水电站坝基软硬相 程 间层状岩体综合变形模量评价 应 用 图卜3研究技术路线图 2 软硬相间层状岩体变形参数理论解研究 2 软硬相间层状岩体变形参数理论解研究 2 1 软硬相间层状岩体本构方程建立的条件 在建立软硬相间层状岩体本构方程之前，首先将本文研究的层状岩体定义为 由具有不同力学特性、厚度各异的不同岩性复合而成的岩体。在宏观上可以将其 视为正交各向异性，因此软硬相间层状岩体在不同方向的荷载下就表现出不同的 变形特征，如当层状岩体受到垂直岩层面和平行岩层面的荷载时，其变形结果迥 异；而当荷载与岩层斜交时，不同的交角就具有不同的解，这与单一岩性在荷载 下的变形特性相比就十分复杂。本论文研究的软硬相间层状岩体的原型金沙 江观音岩水电站坝基软硬相间层状岩体由砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩相间组成， 在工程现场的常规岩体原位变形试验只能获得单一岩性岩体的变形模量，如获得 砾岩、砂岩、泥岩的单层变形模量，但不能获得由不同岩性组合的层状岩体的综 合变形模量。层状岩体的综合变形模量不仅与每一种岩性的单层变形模量相关， 而且与各岩性的厚度比及岩层产状相关，所以要建立层状岩体综合变形模量与上 述因素之间的关系，首先要对工程现场的层状岩体进行实地调研，获得单层岩体 的相关信息，然后再对层状岩体进行合理概化，即从地质原型种抽象出合理的物 理力学模型。 对金沙江观音岩水电站坝基软硬相间层状岩体的现场调查表明，坝基岩层虽 然是由不同岩性岩体组成的复合岩体，但在单一岩性岩层中，岩体在各个方向的 特性相似，可以看作各向同性介质。由于坝基层状岩体属于侏罗系的河湖相沉积 岩，岩层基本是按照沉积韵律出现，常能看到一组由粗到细的完整的沉积岩，即 依次出现砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩，所以不同岩性层之间的层面胶结良好，在 受到外力后，层与层之间没有明显的相互错动。在以上调查结果的基础上，将本 论文研究的软硬相间层状岩体作如下几方面的简化考虑【2 9 “6 】： 1 ) 软硬相间层状岩体顺层面方向为各向同性； 2 ) 软硬相间层状岩体沿垂直层面方向为正交各向异性； 3 ) 材料介质按弹性材料考虑； 4 ) 软硬相间层状岩体中不同岩性岩体弹性模量、剪切模量和泊松比互不相等； 5 ) 软硬相问层状岩体由不同岩性平行粘结构成，受力变形前后，相邻岩层在 层理面之间无相对滑动； 6 ) 软硬相间层状岩体各岩层之间无充填物，由岩石直接粘结； 7 ) 考虑岩层交界面之间的粘结约束效应和由粘结约束效应产生的粘结约束应 成都理工大学硕士学位论文 力。即当层状岩体受到不垂直于层面的外力时，由于层与层之间的粘结约 束效应使得层状岩体各层之间不会发生相对滑动，各单层岩体具有相同的 变形量。 2 2 软硬相间层状岩体变形参数理论解 本论文将软硬相间的层状岩体定义为由n ( n 2 ，自然数) 层不同岩性的岩层组 成( 图2 一1 ) ，各层岩体的厚度分别为l 】、k l j k ，各单层岩体的变形模量分别 为e 。，e 。- - - e 。e n ，各单层岩体的剪切弹性模量分别为g 。，g 。g 。g n ，各单层岩体 的泊松比分别为u 。，u 。ui * - - u 。取单位边长为a 一1 ，总厚度为l 的岩柱作分 析，该岩柱处于受o ：、o 。、o ，、0 ，。、o ：，、0 。，的三维应力状态下。对软硬相问 层状岩体变形参数的理论求解按照从易到难的思路进行。首先求解软硬相问层状 岩体在受到平行层面应力( 0 ，或0 。) 即岩层垂直和垂直层面应力( o ：) 即岩层水 平情况下变形参数的理论解，进而求解软硬相间层状岩体任意倾角( 正应力与岩 层面任意夹角) 下变形参数的理论解。 z y 图2 1软硬相问层状岩体示意图 蓐。 、十j 1 ： 匕二= = = 二二丑 四。 l a 写 图2 - 2 正应力平行层面时软硬相间层状 岩体变形示意图 2 2 1 应力平行层面时软硬相间垂层状岩体变形参数理论解 应力平行层面时软硬相间层状岩体的变形参数理论解包括层状岩体在平行层 卞蛩ii享十卫再r珏监 呵一 2 软硬相间层状岩体变形参数理论解研究 面上的综合变形模量e ，( e 。) 、综合泊松比u ，；( h ；。) 和层状岩体受到平行于层面方 向剪切应力( t ，：) 时的综合剪切模量g ，；( g ：，) 。 软硬相间层状岩体受到平行层面正应力o ，时的变形示意图见图2 2 。层状岩 体在y 方向的综合变形模量设为e ，在y 方向的整体应变为e 。在z 方向的整体 应变为e ：。各单层岩体在y 方向的应力分别设为o 、oy z i * ioy io 。在y 方向 的应变分别为e 。ey 2 ey i o e ，。在这种情况下，软硬相间层状岩体的变形特 点是各单层岩体在y 方向的应力互不相等，由于考虑岩层间的相互粘结约束效应， 所以各单层岩体在y 方向的应变相同。故层状岩体在平行层面应力0 ，作用下的应 力和应变具有如下特点： 盯y 1 ( t y 2 。g y i 。盯”o - ， ( 2 1 ) 占y 1 = s y 2 = = s = = s = s y ( 2 - 2 ) 而各单层岩体在y 方向受到的压力之和等于软硬相间层状岩体在此方向上的 总压力，故： 盯y l 工l + o - y 2 l 2 + 。+ o - p l l + + 盯f 工月= 盯，三 ( 2 - 3 ) 又各单层岩体的应力应变关系为： o - y 1 2 百 o y 2 s ，z2 i ( 2 4 ) 盯w 2 言 盯 s ”2 亨 山月 将软硬相间层状岩体看作整体，则在y 方向的总应变e ，可以表示为： 旷詈 将式2 - 2 、式2 - 4 和式2 - 5 代入式2 - 3 ，化简得到： e ，= e il - + 毛等扣+ 巨睾+ 十e 每= 喜e 睾 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 成都理工大学硕士学位论文 由于此处的层状岩体定义为正交各项异性，即单一岩性岩层各向同性，故同 理可得层状岩体在x 方向上的综合变形模量e 。： e 。= ey=el兰(2-7) i = 1 l 式2 7 即为软硬相间层状岩体在受到平行层面应力时，在平行层面方向上的综 合变形模量理论解公式。由式2 7 可知，软硬相间层状岩体在顺层面方向的变形 模量相当于是各单层岩体变形模量以其层厚度为权重的一个加权平均值。 同样根据图2 2 中软硬相间层状岩体的受力情况，设层状岩体纵横( 顺岩层 面方向为纵，垂直岩层面方向为横) 方向泊松比为u ，。( u ，。) ，层状岩体在z 方向 的应变为e ：，则泊松比u ，。为： 惯= 二兰_ ( 2 - 8 ) 5 y 而各单层岩体在z 方向的应变可表示为： 占：12 , u 1 6 v 1 s z 22 2 s v 2 ( 2 9 ) z t 2p l s 占删= n fw l 软硬相问层状岩体在z 方向的总变形为各单层岩体变形之和，即 = = ：1 + ：2 + + + z ，+ 。+ 。 式中： ：= s ：l = j “萨y l ：1 = s ：i 上1 = 1 s v l l l ：2 = s 吐上2 = a 2 s v 2 l 2 ：。= s ：。l 。= 犁f 。l | 删= s 翎上。= a 。s 怖l 。 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 将式2 一1 1 和式2 1 2 代入式2 一l o ，得： y s f l = l 占厶+ 2 g y 2 l 2 + 。+ z 占 l + + n 厶 ( 2 - 1 3 ) 前面已经说明软硬相间层状岩体在受到平行层面应力0 ，时，在y 方向各单层 岩体应变相同，即： 1 2 2 软硬相间层状岩体变形参数理论解研究 s ，= c y l = s ，2 = = s = = s ( 2 _ 1 4 ) 所以，式2 一1 3 可进一步化简为： ，= h 争+ ：等扣+ 一拿+ - - + z 每( 2 - 1 5 ) 式2 1 5 即为软硬相间层状岩体受到平行层面正应力时在纵横方向上的泊松比 理论解公式，由上式可知，软硬相间层状岩体在纵横方向上的泊松比也是各单层 岩体泊松比以对应层厚为权重的一个加权平均值。因为单层岩体皆按各向同性考 虑的，所以软硬相间层状岩体在x z 方向的泊松比与在y z 方向的泊松比相等，即： f = 。= ：争 ( 2 - 1 6 ) 当软硬相问层状岩体受到平行层面的剪切应力t 。，时( 图2 - 3 ) ，设各单层岩体 的剪应力分别为t 。、t 。- 。t 。，对应的剪应变分别为y 。，。、y 。y 。 y 。，则此时软硬相间层状岩体的剪变形特点为各单层岩体的剪应变相等，剪应力 不等，即： y f l2 ，勺2 = = y = = ， ( 2 1 7 ) t x y l r 肼2 。t x y i 。t x y n ( 2 - 1 8 ) 而软硬相间层状岩体受到的剪力等于各单层岩体受到的剪力之和，即： f 掣工= l 三l + r 掣2 三2 + + r 圳三f + + r 删三月 ( 2 - 1 9 ) 又各单层岩体的剪应力剪应变关系为： x c n 7 ” q 将软硬相间层状岩体看作整体，则整体 的剪应力剪应变关系为 f v 一2 毒 ( 2 - 2 1 )图2 - 3剪应力平行层面时软硬相间 层状岩体变形示意图 一q一q 一q = = = 1 2 孙 j | 成都理工大学硕士学位论文 联立式2 1 7 、式2 - 1 9 、式2 - 2 0 和式2 - 2 l 解出软硬相间层状岩体在顺层面方 向的综合剪切模量为： g ，= 喜g ，皇= g i 生l 崛争。加，邶毒 弦z z ， 同样，因为同一层岩体各向同性，故层状岩体在y x 方向和x y 方向的剪切模 量相等，即： g ，：吒：窆g 。导 ( 2 _ 2 3 ) i = 1 l 2 2 2 应力垂直层面时软硬相间层状岩体变形参数理论解 对于应力垂直层面的软硬相间层状岩体变形参数求解包括层状岩体在垂直层 面方向上的综合变形模量e z 、综合泊松比u ：，( u ：，) 和岩体受到纵向剪切应力( t ：，) 时的综合剪切模量g 玎。 软硬相间层状岩体受到垂直层面的正应力o 。时的变形情况见图2 - 4 。设层状 岩体在z 和y 方向的应变分别为e 。和e ，各单层岩体在z 方向的应力分别为。一 o 一oz jo 。在z 方向的应变分别