第七节 复杂岩体力学特性数值试验
一、岩石力学数值试验
在岩石力学发展的早期阶段,室内试验成为认识岩体力学特性的重要手段。在现今的岩体工程实践中,岩石室内试验仍然是基础性的工作手段,其中岩石单轴抗压强度成为工程设计中普遍直接使用的参数指标。不过,岩石室内试验也存在一些固有的问题,如同一地层岩石试样之间可以存在显著差异,试验结果的分散性普遍存在。另外,受试验尺寸的影响,试验条件和结果与现场可能存在很大差别。虽然现场试验可以帮助部分解决后一问题,但效果仍然有限,且造价高昂难以普遍使用。
在最近10余年时间内,岩石力学数值模拟技术得到了长足进步。颗粒流程序(Particle Flow Code,PFC)和综合岩体技术(Synthetic Rock Mass,SRM)技术的出现改变了传统计算机模拟的方式,其中一个重要差别是这些方法不再要求人为规定岩体宏观本构和相关力学参数,而是从岩石和岩体细观结构的角度考察问题。因此,这些技术手段可以帮助研究岩体宏观力学特性,像岩石力学物理试验一样,岩石力学数值试验也开始被人们所关注和帮助解决传统的复杂问题。
虽然一些研究者采用传统的数值计算方法和程序如FLAC和UDEC进行一些数值试验,但是在PFC诞生以后,计算机方法才真正能够从岩石基本结构细观角度,采用模拟物理试验过程的方式研究岩石的基本力学特性。PFC的基本组成是颗粒和颗粒之间的胶结,很多细观参数如颗粒大小、级配、孔隙度、力学参数、胶结方式、胶结物强度等都可以影响到岩石的宏观力学特性如弹性模量、峰值强度和峰后特性等。就脆性岩石而言,颗粒之间胶结物可以出现破裂,破裂发育程度可以直接影响岩石的力学特性,这与物理试验揭示的结果完全相同。因此,基于PFC早期的数值试验也主要用于研究脆性岩石破裂发育程度对宏观特性的影响,继而为研究现场围岩破裂问题提供可靠的手段。
与岩石不同,岩体内结构面发育特征对岩体力学特性可以起到控制性作用,因此采用数值试验手段研究岩体力学特性时需要同时考虑岩石(块)和结构面两个基本因素。如前所述,PFC可以从细观结构的角度描述岩石(块),SRM最重要的功能是在此基础上再模拟众多的节理。从基本原理上讲,SRM不仅可以体现结构面控制的复杂非连续力学特定,也可以同时从细观角度模拟岩块的各种力学行为,并充分考虑二者之间的相关作用。简单地说,岩块和结构面是岩体力学特性最重要的两个影响因素。SRM可以从基本原理上体现这两个因素的作用,因此可以研究岩体的力学特性。
图3-98(a)是早期(1999年)采用PFC通过数值试验方式研究脆性岩石的实例,它不仅反映了岩石试样基本组成(颗粒大小、级配、胶结方式、颗粒和胶结物的力学性质等)对岩石加载过程中基本应力-应变关系的控制作用,还能够体现颗粒之间微裂纹不断扩展对应力-应变关系造成的影响,与物理试验具有等同的效果。
图3-98(b)表示了SRM的基本构成(岩块+结构面),其中的岩块模拟方式与图3-98(a)完全相同,差别在于岩块的边界为节理,节理之间的相互作用为块体提供力学边界,导致岩块的变形和破裂。在设计的试验应力条件下,岩体内岩块和结构面的力学响应共同决定了岩体的力学行为。由于SRM数值试验几乎不受尺寸效应的限制,因此为定量研究力学特性的尺寸效应、结构面分布差异导致的岩体不均匀性和各向异性等传统复杂力学特性提供了可行的技术手段。
图3-98 基于PFC的岩石数值试验和SRM组成
二、数值试验研究实例
岩体各向异性可对工程造成严重影响,往往成为工程设计关注的重点。但是,长期以来对岩体力学特性缺乏有效的定量描述方法,使得工程设计和评价过程中能准确逼真地体现岩体各向异性特征的影响。
岩体的各向异性特征可以由岩石的构造特征(如片理)和优势节理定向性分布特征引起,既往的研究主要集中在单一节理导致的岩体强度变化,密集分析的片理对岩体各向异性特征的研究相对较少,更没有可行的方法定量描述这种特性,使得工程设计能定量地评价其影响。
图3-99表示了单一节理导致的岩体强度随加载方向的变化。图3-100表示了一组节理组导致的岩体强度随加载方向的变化,当荷载和节理组法向方向交角增大以后,强度始终维持在较低的水平,是节理组导致的各向异性与单一节理岩体各向异性的差异。
图3-99 单一节理岩体强度变化
图3-100 含片理岩体强度变化
西部某水电工程深埋引水隧洞经过二云片岩地层,各向异性及其工程影响是设计关注的重点。研究工作首先对岩石室内试验数据进行整理分析,如图3-101所示,岩石试件室内试验获得的单轴抗压强度和弹性模量都显示了二云片岩多节理岩体各向异性的特点,指示了片理所起到的作用。结果显示,当加载方向和片理方向夹角小于30°(和片理面法线夹角大于60°)时,强度和弹模都保持较低的水平,是各向异性的具体表现。
图3-101 二云片岩单轴抗压强度和弹性模量的各向异性特征
在揭示问题的特点以后,研究工作的关键是如何定量地模拟各向异性特征并应用于工程设计的论证。研究中采取了SRM技术,即在PFC基础上模拟大量的结构面,其中PFC中的颗粒黏结体模拟岩块的变形和开裂,从而使得全面地模拟节理岩体的宏观变形(岩块和节理)、节理的滑移张开以及节理的扩展贯通(岩块开裂)等复杂行为。
图3-102是二云片岩压缩试验的SRM模型,其中图3-102(a)～(c)分别是加载方向和片理法线成0°、60°、90°时单轴试验的应力-应变曲线和破坏形态。图3-103(a)为岩石单轴抗压强度随加载方向变化的SRM模拟结果及其与试验结果的对比,图3-103(b)是弹模各向异性的模拟和试验结果对比,二者之间吻合良好,即SRM数值试验结果显示该技术能够定量地直观再现二云片岩的各向异性。
图3-102 二云片岩SRM试样模型
(参见文后彩插)
图3-103 二云片岩力学特性的SRM模拟结果
从工程应用的角度,以上SRM数值试验的目的是获得能够正确反映二云片岩力学特性的虚拟材料,相当于传统计算分析中确定岩体的本构和参数。采用SRM的差别在于,计算中不直接给出这些宏观参数,而是基于岩块和节理的细观物理力学参数,如颗粒的弹模和胶结物的强度等。从理论上讲,这些参数以后可以生成一个同等参数条件下的工程尺度模型,保证二云片岩的复杂力学特性能自动体现在该模型中。
不过,由于上述针对岩石试件SRM模拟时PFC颗粒和片理的尺度很小,如果采用同样的参数(如颗粒大小)建立大型工程模型时可能遇到计算机容量问题,或者计算时间过长而影响现实可行性。解决这一问题的途径之一是FLAC/PFC耦合计算。以隧洞为例,将工程中关心的区域(如边墙)采用PFC计算,其余部分采用FLAC,利用FLAC计算的应力为PFC计算区域提供边界。
图3-104是以现场测试断面揭示的松弛区为对象的FLAC/PFC耦合计算模型和成果,它是在FLAC模型中将左侧边墙的部分单元用SRM模型代替,使得揭示的破损范围和测试获得的松弛范围相当,从而预测其他洞段陡倾二云片岩对边墙破坏深度的影响。
图3-104 以现场测试断面为对象的FLAC/PFC耦合计算
(参见文后彩插)
以上的实例从工程应用的角度介绍了数值试验技术的现实应用,数值试验技术不仅可以帮助开展复杂机理性问题研究(如本例的各向异性问题),而且还可以帮助研究和解决复杂的实际工程问题,为解决岩体工程领域的传统难题提供了新的解决方案。