節理粗糙度對巖石力學性質的影響研究

朱勝華 （紹興文理學院，浙江 紹興 312000）

近代以來中國經濟高速發展，對山區交通加快了建設的步伐，在建設施工中遇到的問題也日益突出。山區建設必不可少要和巖石接觸，而巖石在自然界中是一種較為復雜的地質體，巖石在其生成過程以及形成后的各個時期內因受到內力外力的作用，其內部會生成眾多類型的缺陷諸如裂紋、節理、層理、褶皺及弱面等，這些缺陷會對巖石的力學性質產生顯著的影響。節理貫穿巖石生成的整個過程，而且它在巖體中的分布也非常的廣泛，所以節理在影響著各類巖體的力學性質，節理亦是一種控制各類巖體工程穩定性的關鍵因素。因此，深入研究節理力學性質、形貌損傷以及破壞模式有著重要的意義。

1 研究現狀

國內外的學者通過了大量的巖體節理粗糙對巖體力學性質進行了的研究發現：首先，在節理面粗糙度的理論研究上，Barton率先提出了節理粗糙度系數JRC（joint roughness coefficient）這個概念，此概念描述了巖石表面的粗糙形貌特征，JRC值的大小通常可以通過比較法或根據直剪試驗確定。再此之后Barton等又于1977年提出了10條JRC值分別為0～20的標準輪廓曲線，所需要確定JRC的結構面可以通過與標準輪廓曲線對照的方法確定結構面粗糙度的的大小。這為巖體結構粗糙度確定了標準，現已被國際巖石力學學會收藏并推薦使用。

在而后的理論研究階段，許多學者通過研究分形維數D與巖體粗糙度參數回歸分析，初步建立了粗糙度參數或分形維數D與結構面粗糙度系數的相關公式，用于巖體粗糙度系數的估算。在粗糙節理巖石的理論研究的支持下在粗糙節理巖石的試驗研究和數值模擬上已取得顯著的成果，關于粗糙節理巖石的試驗研究主要以剪切和滲流試驗為主，Zandarin等對不同起伏角的鋸齒狀節理巖石進行了剪切試驗，并對其進行了數值模擬，研究了節理粗糙度和吸力對其強度的影響。Barton從大量的試驗中發現水力等對真實巖石節理面進行循環剪切試驗。賀玉龍等進行不同節理粗糙度系數單裂隙滲流試驗，通過Barton提出的JRC輪廓曲線制作出10個含有不同JRC的巖石試樣，測試不同JRC值試塊的滲透性，從而得出不同JRC值單裂隙滲透率與有效應力之間的關系。關于粗糙節理巖石的數值模擬研究主要是為了解決巖石節理面細觀特性難以觀察及同一節理難以復制進行多組試驗的問題，相關學者采用數值模擬軟件能夠較為真實地模擬節理表面，分析節理面的細觀特性及其破壞機制。這些研究涉及節理粗糙度、巖石剪切和滲流的試驗，但對于粗糙節理巖石三軸壓縮試驗的研究成果較少，而三軸試驗更能反映工程中的問題。等效隙寬和機械隙寬的關系與裂隙粗糙度有關。

黃慶云等通過對現場礦山邊坡進行測量，借助于現場地質調查、工程地質鉆探補勘等方法獲得巖體的基本參數：巖性，節理組數，節理各參數，然后通過現場和室內試驗對巖石和巖體的力學性質進行分析，該試驗的主要研究方法是基于現場調查，以室內試驗輔之，獲取正確的巖體參數對礦山的開采安全具有重要意義。

楊圣奇、陸家煒等人也是利用不同粗糙度系數的試塊進行三軸壓縮試驗研究，利用3D打印機制造不同粗糙度的節理巖石試樣，采用GCTS高溫高壓動靜巖石三軸試驗系統，對含有不同粗糙度節理巖石試樣進行了三軸壓縮試驗，該研究報告指出由于巖體中存在節理面，比完整巖塊強度有所減小，而且隨著巖體節理粗糙度JRC值的改變，巖石抗剪強度也隨之改變。具體的表現為巖體的抗壓強度隨著巖體節理粗糙度系數JRC的增大而增大，相對應的巖石三軸抗壓強度也隨之變大。

張志強、郇久陽等人采用數值模擬的方法研究節理粗糙度系數JRC與抗剪強度的關系，具體采用離散元軟件PFC建立巖石節理試樣模型，模擬中逐步提高法向應力對巖石節理試樣模型進行剪切，從而獲得粗糙度系數JRC與抗剪強度峰值的關系，并且研究不同JRC、不同法向應力條件下試樣裂紋的擴展規律。其實驗結果表明：使用計算機用離散元進行節理剪切數值模擬的試驗結果與物理試驗結果相吻合。同樣也得出與楊圣奇一樣的結果，巖體的抗剪強度峰值與JRC值有關，并且與之正相關。本研究采用了數值模擬進行巖體節理的粗糙度進行了研究，相較物理實驗可以減少風化，日曬等因素對巖石石塊的影響，還能準確地得出裂紋最先出現的位置為節理處及詳細的巖體破壞過程，為后續地分析帶來方便。

2 研究方法

研究方法主要包括以下三類：

①常規理論和物理試驗研究方法

對天然含節理的巖石直接進行理論和物理研究，有些學者認為只有現場試驗的方法才能正確描述巖體的力學性質，這類方法的優點是利用第一手資料，使得原始數據比較準確，并且研究起來比較方便，沒有干擾因素。

②借助模型材料研究

是使用砂漿、石膏等材料制作節理試樣模型，然后參考第一種研究方法研究不同JRC對節理抗剪強度峰值的影響，這種方法可以制作不用條件下的巖體試樣并且對原有巖體數據的還原性較高，基本能1：1還原現場試驗，并且能滿足研究者對各種情況下巖石抗剪強度的分析，適用性較強，適用范圍較廣。

③數值模擬

數值模擬就是使用計算機軟件模擬現實巖體破壞，從而獲得出巖體力學參數的研究方法。這是目前普遍應用的研究方法，通常采用有限元軟件ANSYS、離散元軟件UNDC、PFC等。這種方法可以有效控制實驗成本，不受自然環境的影響，縮短實驗前期準備時間，更加的經濟和快捷，但是對于操作者要求較高，要能熟練的運用相應的軟件。

由于有時候對現場的情況不適合進行實驗，只能使用相應的模型進行代替實驗，相應的做法為第一步對礦山巖體進行勘查，獲得巖體節理的基本參數，再把數據結合整理好，利用整理好的數據做成模型，對模型進行力學實驗，獲得模型的力學參數，還可以利用計算機進行數值模擬，模擬結果與模型結果進行數據對比，這種理論與實際相結合的研究方式考慮的比較全面，出現誤差的可能性也相對較少。

3 結論與展望

現階段對巖體節理粗糙度的研究處于高速發展階段，能夠通過不同的研究手段分析出巖體節理粗糙度對巖體抗剪強度的影響，并運用到工程實踐中，但這種研究的數據與實際數據有一定的誤差，首先在進行勘察的時候由于根據主觀因素的影響，會使獲取的數據與現場數據有一定的偏離值，其次模型研究和計算機數值模擬很難考慮到現場環境的影響，所以實驗獲取的數據是對原有情況的一個估算值。所以當下研究的重點是如何提高實驗的準確性，并且研究出能夠適用于各種狀況下各類巖體的粗糙度與其力學性質的公式，這將為巖體工程建設帶來極大的便利，應用前景將十分廣泛。