裂隙水压力对岩体强度的影响

1、裂隙水压力对岩体强度的影响裂隙水压力对岩体强度的影响第21卷第1期2000年3月文章编号:10007598(2000)01006404岩土力学RockandSoilMechanicsVol.21No.1Mar.2000裂隙水压力对岩体强度的影响朱珍德,胡定(四川大学水利工程系,成都610065)摘要:运用断裂力学理论定量地分析了裂隙长度、方向、间距对岩石强度的影响,详细推导了含裂隙水压力岩体的初始开裂强度公式。通过有关试验结果证实,所建立的公式具有较高的可靠性,可用于暴雨入渗边坡和实际工程岩体稳定性评价。关键词:断裂力学,水,裂隙,初裂强度中图分类号:TU457文献标识码:A作者简介:朱珍德,

2、男,35岁,副教授,在读博士后,现主要从事岩土力学的研究工作。TheeffectofintestitialwaterpressureonrockmassstrengthZhuZhende,HuDing(DepartmentofHydraulicEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065)AbstractThispaperappliedthetheoryoffracturemechanicstoquantitativelyanalysetheinfluenceofthelength,directionandinternalofcracksonthero

3、ckstrength.Andtheformulaefortheinitialrupturestrengthoftherockmassunderhydraulicpressuresarealsoderivatedindetail.Theresulthasverifiedthattheformulaeproposedinthispaperishighlyreliableintheassessmentofthestabilityofengineeringrockmassandrockslopewithwaterinbiltratedduetotorrentialrain.KeyWordsfractu

4、remechanics,water,fissure,initialrupturestrength岩石遇水强度降低一直是困扰地下工程围岩稳定性的一大难题。Chugh1、康红普2等针对沉积岩的抗压强度作了大量的试验,得出了水对岩石强度的弱化程度取决于岩石的物理性质、初始状态、含水率、容重以及应力状态等因素,但没有考虑岩体本身结构对其强度的影响。众所周知,任何岩体内部均存在着大量的缺陷(微观的或宏观的裂隙),正因为这些缺陷的存在,使岩体的性质(如抗压、抗拉、抗剪强度及弹性模量)表现出各向异性。关于裂隙对岩石强度的影响,目前国内外已在这方面作了一定的工作,如赵平劳等针对层状岩体的抗压强度作了大量的实验

5、研究,得出了十分有意义的结论。范景伟等3对含定向闭合断续节理岩体的强度特性也作了较详细的研究,并从理论上推导出含节理岩体强度公式。王桂尧等从实验结果得出岩体软弱结构面的长度和方位对岩体强度的重要影响。作者拟在前人的基础上,运用断裂力学理论,就裂隙水压力对岩体抗压强度的影响问题作进一步的探索。图1单裂隙受力图Fig.1Theforcebearingstateofsinglefracture的外力作用,1,3分别为主应力单元体的最大与最小主应力,板内与最大主应力夹角为的任一平面CD裂隙所受的正应力和剪应力分别为:1+31-3221-3sin2=2=(1)(2)当裂隙内存在渗透压力p=!H时,由于假

6、定岩块本身不导水,则作用在岩块上的分布力包括裂隙面内2 强度公式的推导由岩石力学理论知,一无限大板受如图1收稿日期:19990315*校青年科学基金资助项目(413010104).第1期朱珍德等:裂隙水压力对岩体强度的影响外层传递的有效应力!ij和渗透压力p,计算岩块变形时用总应力,计算裂隙变形时应采用有效应力,即ij!ij=ij-p1+31-3=-cos2-p2(%12-fi)sin2+ficos2-fi-%)i12(1-cos22k#c/+2cisin2+ficos2-fi-%)12(1-cos2的平行裂纹,根据应力强度因子手册知:将式(3)代入式(1),式(2)可得含渗透水压裂隙面如果裂

7、纹不是一条,而是一组无限多等长、等间距(4)(5)sin22k#=k#=(15)将式(15)代入式(13)整理可得:1=tantan?ab根据断裂力学理论,其裂纹尖端应力强度因子为在实际的抗压实验中,岩石试样内的裂纹都存在由张开到闭合直至扩展破坏的过程。因此,研究抗压实验中裂纹对强度的影响,必须从闭合裂纹着手。由式(4),(5)知,在压缩状态下闭合裂纹既受到垂直于裂纹面的压应力作用,又受平行于裂纹面的剪应力的作用。因此,裂隙表面会存在与方向相反的摩擦阻力作用,其大小为F=ci+fi#文献2,5知:ci=ci(#,t)fi=fi(#,t)平行于裂纹面所受合力为(sin2+ficos2+fi)+%

8、)12(1+cos2(sin2+ficos2-fi)-%)12(1-cos22%12-2fitan?ab2k#c/式中ci和fi分别为裂纹面上的凝聚力和摩擦系数,由(8)(9)tan?ab(sin2+ficos2-fi)-%)12(1-cos2岩体中的裂隙大都成组分布,而且常常是多组裂隙同时存在。每一个裂隙都被其他裂隙所包围,有时还被其他组裂隙切割,在其附近还可能有更低级的裂隙分布。这些都会影响到裂隙尖端附近的应力状态,改变裂隙尖端应力强度因子。由文献7知:k#=Fk#0=F将式(4),(5),(10)代入式(6)得=(sin2+ficos2-fi)-(sin2+ficos2+fi)+pfi-

9、ci式中F是所考察裂隙附近其他相对裂纹对其应力强度因子的综合影响系数,可根据现场节理裂隙面剪切试验结果确定,再用有限元断裂分析结果反推。将式(17)代入式(13)可得1=i iii12i3+F(sin2i+ficos2i-fi)-%12(1-cos2i)2%12-2FfiF(sin2i+ficos2i-fi)-%12(1-cos2i)2k#c/+2ciFF(sin2i+ficos2i-fi)-%12(1-cos2i)同时,因沿垂直裂纹方向还存在正应力,其对剪切断裂起遏制作用,而由式(4),(11)知裂隙水压力显然抵消了一部分正应力,起到裂纹劈裂作用,由式(6)得k?值为k?=-1+1-33?a

10、(12)-cos2-p根据文献6对受压条件下的剪切断裂,(k?,k#复合型断裂)采用如下简单判据:%12k?+k#=k#c(sin2+ficos2-fi)-%)12(1-cos2a+2ci1/2式中%12为压剪系数;k#c为压缩状态下的剪切断裂韧度,其值可由标准试验测定。将式(11),(12)代入式(13)得裂纹初裂强度:sin2+ficos2+fi+%)12(1+cos21=f-%(1-)3+事实上,对于k?=0,渗透压力pi=0的情况,文献根据迭加原理也得出了与式(11)完全相同的k#表达式。但是在实际工程中k?一般不等于零,pi?0。从下面的讨论中将会看到本文的公式比文献3所3 理论公式

11、的验证与讨论为了验证理论公式(14),(16)的可靠性,选用文献3的实验参数:其一,用一组平行裂隙,裂隙长9.6cm,连通率&=0.6,排距2cm。节理裂隙方向与1方向的夹角为,试块浇注成=0%,15%,30%,45%,60%,75%。在特制的钢架中进行加载试验,围压3为0和0.2MPa。其二,用两组交叉裂隙,第一组节理裂隙长9.6cm,连通率&=0.6,间距4cm。第二组裂隙长4.8cm,&=0.6,间距8cm,交叉裂隙之间夹角为80%,围压3=0,0.18MPa。峰值内摩擦角(0所用实验材料的主要物理力学指标E=0.238&104MPa,?=0.2,峰值凝聚

12、力c0=0.38MPa,k?c=74.06N/cm,k#c=33.80N/cm。裂隙的凝聚力ci=0,fi=0.365,%12=0.3得到的计算值与用模型测得的试验以及文献3理图5(a)中。从4个图中可以看出,文献3的利用上述数据将式(16)(pi=0)论值绘于图2(a),图3(a),图4(a),理论值一般都低于实验值,而用本文的公式去分析裂隙岩体的强度特征更能反映实际情况。从4个图中不难看出,文献3所提出的公式仅能在一定的(a)理论值与实验值的比较(b)裂隙水压力p与岩体图3含一组平行裂隙岩体理论强度3、实验值与裂隙水压力的关系Fig.3Relationshipoftheoreticalst

13、rengthandexperimentresultwithinterstitialwaterpressureofrockmasscontainingasetofparallelcracks角度范围内反映真实情况,本文推导的公式也存在此类问题。由式(16)知,当?0时,分母?0,即1?(,存在着奇异性。同时,当?90%时,分母可能为负值,即1图2(b),图3(b),图4(b)和图5(b)是利用上述实验数据根据式(16)并考虑到pi不同情况下做出的理(a)理论值与实验值的比较(b)裂隙水压力p与岩体论强度曲线。从这4个图中不难发现,当%12时,随着pi增大,岩体强度下降明显,图2含一组平行裂隙岩体

14、理论强度、实验值与裂隙水压力p的关系Fig.2Relationshipoftheoreticalstrength,experimentalresultwithinterstitialwaterpressureofrockmasscontainingasetofparallel30%左右时岩体强度最低。从式而pi的大小并不影响曲线的形态。岩体强度具有明显的方向性,随着裂隙面与1方向夹角而改变,在(16)可以推得,随%12增大,强度曲线逐渐向右移对于不同岩性的岩体当3=0时,若岩石力学参数恰好使得k#c/那么不论裂隙面方向如何,强度值1恒为零,+2ciF-2(Ffi-%12)pi=0,此时pi为最

15、大裂隙水压力。当fi,ci,F,k#c,%12等参数取定时,给定pi,若使得Fsin2i+fi(1+cos2i)F+(1+cos2i)%123-2(Ffi-%12)pi+2k#c/(+2ciF)达到最小,就可以确定出最不利裂隙结构面。(1)从断裂力学的角度出发,推导了裂隙岩体抗(a)理论值与实(b)裂隙水压力与岩体压强度公式。在不考虑裂隙水压力时,其结果更符合实际。(2)对本文中建立的公式进一步分析,考虑到pi对岩体强度的影响,Ffi>%从计算结12时才符合实际。果看,随着3和%向左移动,12的增大,强度曲线向上、并且变陡。(3)依据文中的公式,不但可用于评估含大量裂隙软弱结构面岩体的稳

16、定性,而且可用于评价暴雨入渗岩体高边坡稳定性问题。参考文献1ChughYP.EffectsofmoistureonstratacontrolincoalminesJ.EngineeringGeology,1981(17):241255.2 康红普.水对岩石的损伤J.水文地质工程地质,1994(3):3940.3 范景伟,何江达.含定向闭合断续节理岩体的强度特性J.岩石力学与工程学报,1992,11(2):190199.4 王桂尧,孙宗颀,徐纪成.岩石压剪断裂机理及强度准则的探讨J.岩土工程学报，1996,18(4):6874.5 Oojo.TheeffectofmoistureonsomemechanicalpropertiesofrockJ.MiningScienceandTechnology,1990(10):145156.图4含两组交叉裂隙岩体强度、实验值与裂隙水压力p的关系Fig.4Relationshipoftheoreticalstrengthandexperimentresultwithinterstitialwaterpressureofrockmasscontainingtwosetsofcrossed(a)理论值与实验值的比较(b)裂隙水压力与岩体6 周群力.岩石压剪判据