重慶地區侏羅系沙溪廟組地層巖體單軸抗壓強度與層面節理傾角關系研究

張立舟，武 娜，王 銳，陳 凱，夏井泉

(1.重慶交通大學，重慶 400074；2.重慶市勘測院，重慶 401121；3.大連理工大學，大連 116024)

巖石在復雜的地質演化過程中，形成各種復雜的結構面，層面節理是其中一種重要的結構面。巖體中層面節理的幾何特征和空間分布顯著影響著巖體的力學行為，使得巖體的力學性質表現出明顯的非連續性、非線性及各向異性。其中，層面節理對巖層的力學特性造成重要的影響[1]。因此，深入研究巖石層面節理傾角對單軸抗壓強度的影響，獲得巖石的“不利抗壓傾角”，對于分析該類巖石在單軸壓縮狀態下的破壞機制、損傷理論具有重要參考意義。

國內外學者從多方面對節理巖體各向異性展開大量的研究。李建林等[2]和孫旭曙等[3]通過物理實驗研究了卸載條件下節理傾角與試樣參數的關系，節理的存在使得巖體的力學性質表現出明顯的各向異性。Singh等[4]和Kumar和Das[5]通過室內試驗研究了節理傾角與試樣強度的非線性關系，得到巖體的最小強度發生在節理傾角為(45°+θ/2)時，其中θ為節理面的內摩擦角。Halakatevakis和Sofianos[6]通過數值模擬也發現類似的規律。閆月龍等[7]和韓智銘等[8]采用數值模擬的方法研究了簡單節理傾角對試樣單軸抗壓強度的影響。結果表明，隨著節理傾角的增加，試樣的單軸抗壓強度先減小后增大，成“U”字形分布。狄圣杰等[9]和肖維民等[10]分別采用數值模擬和物理試驗的方法，結合柱狀節理巖體特征,探討了其彈性模型和抗壓強度的各向異性特征。吳瓊等[11]和Wu等[12]采用數值模擬的方法研究了隨機節理巖體力學參數的各向異性。

作為國家中心城市，截止2018年12月重慶軌道交通運營線路共有10條，包括1、2、3、4、5、6、10號線、環線、國博線、空港線，線網覆蓋重慶主城區全域，共設車站178座、換乘站13個；運營里程313.6 km，里程總長度位居中國第五位、中西部第一位。重慶主城區80%的地表為侏羅系沙溪廟組地層，主要為巖質地基、圍巖，受地質構造影響，巖層的層面節理傾角變化范圍較大，工程地質條件較為復雜。隨著軌道建設節奏的不斷發展，需要快速、準確地提供勘察、設計及施工成果，而巖石的單軸抗壓強度是一個非常重要的工程參數，在地基持力層驗算、圍巖分級、邊坡治理等方面廣為應用。本文根據近十年來重慶軌道交通巖石單軸抗壓強度的物理力學試驗數據并結合數值模擬方法，研究層面節理傾角對巖石力學參數的影響規律，分析巖石的“不利抗壓傾角”，為重慶軌道交通的設計和施工提供參考數據。

1 室內試驗數據選擇

重慶主城區受地質構造影響，形成了背斜、向斜交錯出現的地質現象，背斜成山、向斜成谷，近構造軸部的巖層傾角較緩，靠兩翼的巖層傾角逐漸增大，沿構造走向巖層節理傾角總體變化不大，沿構造傾角巖層傾角變化明顯，傾角范圍可從5°～85°。為選擇較為典型的數據，將縱橫穿越主城區各個構造的軌道交通勘察試驗數據進行整理，把握好了研究的根本變量，突出本質關系。本文在近十年的軌道項目勘察巖石試驗數據中，選擇了具有代表性的近百個工點，1642組(4926塊，每組3塊)標準砂質泥巖試樣(模型尺寸為?50×10 mm圓柱形)天然狀態下單軸抗壓試驗數據進行分析整理，傾角變化范圍為6°～70°，具有較強的適應性和普遍性。

2 數值模型建立

由于室內試驗取樣的復雜性和節理傾角的有限性，為了充分研究層面節理傾角對試樣單軸抗壓強度的影響規律，本文采用由唐春安教授提出的巖體破裂過程分析系統RFPA2D[13]軟件數值模擬進行研究。RFPA2D是用損傷力學的本構關系研究巖石的非線性變形問題，考慮了巖石材料的非均勻性和缺陷分布的隨機性，可以模擬巖體的漸進破壞過程。根據室內試樣的尺寸，本文建立尺寸為50×10 mm二維模型，模型內節理傾角分別為0°、5°、10°、……、90°，節理傾角是指節理面與水平面的夾角。由于篇幅有限，圖1僅分別給出了模型中分別含有5°、35°和65°節理的數值模型。數值模擬過程中，模型的底端固定，左右兩邊為自由邊界，位移荷載施加在模型的頂部，直至模型失穩破壞，巖石和節理的參數是根據室內試驗獲取，如表1所示。

表1 數值模型中巖石和節理的力學參數

(a)5°傾角 (b)35°傾角 (c)65°傾角

3 結果分析

3.1 模型驗證

圖2為節理傾角為70°時砂質泥巖室內試驗和數值模擬失穩破壞對比圖。結果表明，當節理傾角為70°時砂質泥巖主要表現為沿著節理面的剪切破壞，數值模擬與試驗結果吻合。此時，室內試驗砂質泥巖的單軸抗壓強度為10.37 MPa，數值模擬得到的砂質泥巖的單軸抗壓強度為9.06 MPa。2種試驗結果的誤差為13.26%，小于20%，認為是在可接受的范圍內。因此，可以驗證RFPA2D可有效模擬砂質泥巖的力學特性和破壞機理。

(a)室內試驗 (b)數值模擬

3.2 數據分析

圖3為物理試驗與數值模擬數據對比圖，其中物理試驗數據為相應試驗結果的平均值。結果表明，對于不同傾角下砂質泥巖的單軸抗壓強度，數值模擬與試驗結果的變化趨勢大致相同，但是試驗結果數據較數值模擬數據大。其原因可能是，室內試驗條件比較復雜，端部效應可能導致試驗結果數據偏大[14]。另外一種可能，RFPA2D軟件沒有考慮單元之間的摩擦力，導致數值模擬結果較室內試驗數據小。圖4為物理試驗與數值模擬結果中節理傾向相同時的誤差。結果表明，物理試驗與數值模擬誤差的最大值和最小值分別為13.26%和1.72%，分別在節理傾角為70°和15°處，同時也驗證數值模擬結果的可靠性。

傾角/(°)

傾角/(°)

圖5分別給出了砂質泥巖單軸抗壓強度隨節理傾角的變化規律。結果表明，節理傾角對巖體的單軸抗壓強度有顯著的影響，是砂質泥巖單軸抗壓強度表現出明顯各向異性。通過室內試樣可以發現，砂質泥巖單軸抗壓強度隨著節理傾角的從6°增加到70°先波動減小而后增加，如圖5(a)所示。通過數值模擬可以發現，砂質泥巖單軸抗壓強度隨著節理傾角的從0°增加到90°而先減小而后增加，其形狀類似“U”字型，計算結果與閆月龍等[6]和韓智銘等[7]試驗結果吻合。它的最大值和最小值分別在節理傾角為90°和60°取得，大小分別為13.80 MPa和6.99 MPa，如圖5(b)所示。因此，單軸壓縮條件下砂質泥巖的最“不利抗壓傾角”為60°，最“有利抗壓傾角”為90°，為重慶軌道交通的設計和運行提供參考數據。

傾角/(°)

圖6分別給出了不同節理傾角下砂質泥巖試樣的破壞模式。結果表明，當節理傾向為5°時，巖體的破壞主要發生在節理上部，巖體主要表現為拉伸破壞；當節理傾向為35°和65°時，巖體主要沿著節理面發生破壞，巖體主要表現為剪切破壞。可見，層面節理傾角對模型的破壞模式也有重要影響。

(a)5°傾角 (b)35°傾角 (c)65°傾角

4 結論和建議

本文采用室內試驗和數值模擬相結合的方法，對重慶主城區軌道交通巖土工程勘察期間的侏羅系沙溪廟組地層中砂質泥巖的不同層面節理傾角巖石力學性質進行了研究，結論如下：

通過數值模擬和室內試驗對節理傾角為70°時砂質泥巖的強度和破壞模型進行對比。結果發現，數值模擬和室內試驗結果較吻合，模型主要沿著節理面發生剪切破壞，2種試驗結果的誤差為13.26%，在可接受范圍內，驗證了RFPA2D軟件模擬砂質泥巖的力學特性和破壞機理的。

采用RFPA2D軟件模擬了節理傾角為0°，5°，10°，……，90°巖體，并與對于傾角的室內試驗對比。結果表明，隨著節理傾角的增加，巖體的抗壓強度近似呈現“U”字型分布，最大值和最小值分別在節理傾角為90°和60°取得，分別為13.80和6.99 MPa。因此，巖體的最“不利抗壓傾角”為60°，最“有利抗壓傾角”為90°。此外，建議當場地傾角靠近“不利抗壓傾角”時，采用現場荷載試驗等手段提升巖體承載力，減小工程浪費。

對比不同傾角下巖體的破壞模式可以發現，當節理傾角為5°時，模型主要沿著巖體發生拉伸破壞；當節理傾角為35°和65°時，模型主要沿節理面發生剪切破壞。

由于砂質泥巖試驗難度大、周期長，要獲得不同傾角的試驗數據非常困難。又由于筆者所給出的試驗數據有限，所以結合數值模擬的方法對結果進行分析。結論只具有定性參考價值，要得到比較精確的定量分析結果，需要對現有的試驗方法和試驗儀器進行改正，這是將來研究的重點之一。