節(jié)理巖體的尺寸效應(yīng)及強(qiáng)度特性研究

李明健, 龐 鑫, 萬(wàn)道春, 閆 祥, 劉孫政, 張成良, 鄧 濤

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南昆明 650093)

[通信作者]張成良(1978—),男,博士,副教授,研究方向?yàn)閹r土工程、爆破工程。

0 引言

巖石強(qiáng)度是巖石材料的一項(xiàng)重要力學(xué)參數(shù),對(duì)巖土結(jié)構(gòu)工程安全、穩(wěn)定有著至關(guān)重要的作用;但由于巖石材料的不均勻性,在地應(yīng)力作用等外界條件影響下,巖石在成巖過(guò)程會(huì)形成許多節(jié)理、微小裂隙、孔洞等天然缺陷,巖石便存在尺寸效應(yīng)[1]。尺寸效應(yīng)表現(xiàn)為巖石試件力學(xué)特性會(huì)根據(jù)試件尺寸的大小表現(xiàn)出明顯的差異性,正是因?yàn)檫@種差異性影響,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得力學(xué)參數(shù)與實(shí)際工程中存在較大差異。巖體力學(xué)參數(shù)是評(píng)價(jià)工程巖體質(zhì)量的重要基礎(chǔ),在進(jìn)行工程巖體穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí),巖體力學(xué)參數(shù)選取和采用是對(duì)工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要依據(jù),從而使得特定尺寸巖石強(qiáng)度和變形特性不能直接應(yīng)用于巖土工程設(shè)計(jì)中。節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變,通過(guò)原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)得到的巖體力學(xué)參數(shù)很難表征真實(shí)的力學(xué)性質(zhì),而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的重要原因就是工程巖體具有明顯的尺寸效應(yīng),所以想要獲得準(zhǔn)確可靠的力學(xué)參數(shù),首要任務(wù)就是研究巖體的尺寸效應(yīng)。

許多學(xué)者在巖體尺寸效應(yīng)方面作了大量研究,自從1939年Weibull首先提出巖石強(qiáng)度具有尺寸效應(yīng)以來(lái),大量基于巖石尺寸效應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始出現(xiàn)[2],劉丹等[3]研究了基于代表性取樣的節(jié)理巖體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn),研究表明進(jìn)一步通過(guò)尺寸效應(yīng)特性分析表明,小尺寸樣本抗壓強(qiáng)度的離散性較大,大尺寸樣本抗壓強(qiáng)度的離散性較小;潘生貴等[4]研究強(qiáng)風(fēng)化花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變以及強(qiáng)度特性尺寸效應(yīng);何滿潮等[5]研究工程巖體力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng);李宏等[6]探討荷載作用下巖石統(tǒng)計(jì)尺寸效應(yīng)和結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng);孟慶彬等[7]研究尺寸效應(yīng)對(duì)巖石力學(xué)特性的影響,通過(guò)對(duì)多種巖樣單軸壓縮得出巖樣峰值強(qiáng)度與巖樣尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;梁正召等[8]研究完整巖塊與含節(jié)理巖體的尺寸效應(yīng),表明隨均質(zhì)度增加,試樣特征尺度減小;節(jié)理密度增加導(dǎo)致特征尺寸和特征強(qiáng)度降低;呂兆興等[9]用非均質(zhì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法研究非均質(zhì)參數(shù)對(duì)巖石材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)的影響,得出均質(zhì)度為2時(shí)尺寸效應(yīng)最明顯;朱其志等[10]研究粉砂巖三軸壓縮試驗(yàn)的試樣尺寸效應(yīng),表明對(duì)于均質(zhì)性較好的細(xì)顆粒巖石,縮放巖樣尺寸引起的體積效應(yīng)不明顯,尺寸效應(yīng)主要表現(xiàn)為巖樣高徑比的影響。

以上研究對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題和尺寸效應(yīng)本質(zhì)認(rèn)識(shí)都有著良好的推動(dòng)作用,但各自適用范圍有限,并沒(méi)有歸納總結(jié)出一條適用于統(tǒng)一的巖石力學(xué)尺寸效應(yīng)規(guī)律,而且實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)不同尺寸巖體破壞特性的研究存在很大的局限性,且研究成果往往不能直接應(yīng)用于工程實(shí)際,所以在巖土工程領(lǐng)域,對(duì)巖石力學(xué)的尺寸效應(yīng)研究仍然是現(xiàn)在以及未來(lái)的重要研究方向。數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)芎芎玫倪€原巖石的破壞過(guò)程及不同尺寸的強(qiáng)度變化規(guī)律,本文采用RFPA2D研究不同尺寸巖石試件在單軸壓縮下的變形破壞特性;研究隧道模型在不同跨度尺寸效應(yīng)和節(jié)理傾角效應(yīng)下巖石力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律及尺寸效應(yīng),研究成果可為節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)確定提供參考。

1 巖體尺寸效應(yīng)理論

巖體力學(xué)特性是指巖體抵抗外力作用的能力,包含變形特征、強(qiáng)度特征以及穩(wěn)定性特征。巖體力學(xué)特性會(huì)隨著巖體尺寸的增加而降低,巖體的這種性質(zhì)被稱(chēng)為“尺寸效應(yīng)”[11]。對(duì)于特定巖體問(wèn)題,非均質(zhì)性對(duì)巖石影響會(huì)隨著尺寸增大而逐漸減小,但同時(shí)結(jié)構(gòu)面的影響會(huì)逐漸增加,所以巖體尺寸效應(yīng)在某種程度上就是結(jié)構(gòu)面的尺寸效應(yīng)[12]。針對(duì)硐室和邊坡,Hoek給出了不同巖體尺寸效應(yīng)示意如圖1所示。該圖表明不同工程建設(shè)規(guī)模和跨度所揭露的巖體結(jié)構(gòu)面尺度是不一樣的,同樣不同跨度、不同尺度和巖體結(jié)構(gòu)面所組成的巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也是不一樣的,巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著工程跨度尺寸的增加，其穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)，但不論何種巖體都存在一個(gè)使得巖體力學(xué)參數(shù)趨于穩(wěn)定的臨界尺寸。當(dāng)巖體尺寸較小時(shí)，巖體力學(xué)參數(shù)隨尺寸變化出現(xiàn)顯著差異；當(dāng)巖體尺寸增大到某一臨界值時(shí)，其力學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定，即尺寸效應(yīng)消失或非常微弱，此時(shí)滿足該條件的最小巖體尺寸體積被稱(chēng)為表征單元體[13-14]，如圖2所示。1972年J.Bear[15]在進(jìn)行土體滲流分析時(shí)首次提出了REV概念，后來(lái)REV得到巖土工程界的廣泛認(rèn)可。作為等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的重要概念，REV其蘊(yùn)含“微觀與宏觀”、“離散與連續(xù)”和“隨機(jī)性與確定性”的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。在采用巖石試樣試驗(yàn)或數(shù)值模擬進(jìn)行變形與力學(xué)研究時(shí)，試件尺寸等于或超過(guò)REV尺寸，所得試驗(yàn)結(jié)果才能代表整個(gè)巖體的力學(xué)特征(圖2)。

圖1 不同巖體尺寸效應(yīng)示意

圖2 巖體表征單元體REV的概念

2 試驗(yàn)?zāi)M

2.1 RFPA簡(jiǎn)介

真實(shí)破裂過(guò)程分析(Realistic failure process analysis, RFPA)軟件是一款能夠模擬巖石細(xì)觀損傷至宏觀破壞全過(guò)程,分析巖石破裂特性及聲發(fā)射的數(shù)值模擬軟件[16]。其計(jì)算方法基于有限元理論和統(tǒng)計(jì)損傷理論,該方法考慮了材料性質(zhì)非均勻性、缺陷分布的隨機(jī)性,

把這種材料性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)分布假設(shè)結(jié)合到數(shù)值計(jì)算方法中,對(duì)滿足給定強(qiáng)度準(zhǔn)則單元進(jìn)行破壞處理,從而使得非均勻性材料破壞過(guò)程的數(shù)值模擬得以實(shí)現(xiàn),RFPA軟件獨(dú)特的計(jì)算分析方法使其能解決巖土工程中多數(shù)模擬軟件無(wú)法解決的問(wèn)題。廣泛應(yīng)用于邊坡、地下硐室、隧道開(kāi)挖、地表沉陷等非均勻巖體破裂過(guò)程相關(guān)的工程領(lǐng)域,RFPA2D軟件計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 RFPA2D計(jì)算程序流程

2.2 模擬方案設(shè)計(jì)

為研究巖石的尺寸效應(yīng),以隧道K36+260～K36+295段節(jié)理砂巖作為試樣取樣點(diǎn),通過(guò)密度測(cè)試和室內(nèi)直剪試驗(yàn)及相關(guān)公式計(jì)算得到內(nèi)摩擦角為41.0°,彈性模量為61.2 GPa,壓拉比為3.3,拉變系數(shù)取1.5,泊松比為0.25,均質(zhì)度取3,細(xì)觀平均值取70,強(qiáng)度折減系數(shù)取0.01,單元網(wǎng)格數(shù)為100×100,其單元體泊松比及彈性模量等力學(xué)參數(shù)服從Weibull分布,采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。模擬方案分為試件模擬、隧道模型和不同傾角模型模擬。

(1)試件模型方案:設(shè)置H/D=2的圓柱體巖樣,尺寸分別為50 mm×100 mm、100 mm×200 mm、200 mm×400 mm、250 mm×500 mm、300 mm×600 mm,并對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),加載位移增量為0.002 mm,加載步數(shù)為100步,分析不同試件尺寸巖體強(qiáng)度變化規(guī)律及其破壞特性。

(2)隧道模型方案:隧道開(kāi)挖跨度為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m,分析不同開(kāi)挖跨度下巖體力學(xué)變化規(guī)律以及破壞特征。

(3)不同傾角模擬:對(duì)尺寸為50 m×70 m、30 m×50 m的隧道模型,設(shè)置傾角為0°、30°、45°、60°時(shí),研究不同傾角時(shí)不同隧道的破壞模式和巖體強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律(表1)。

表1 數(shù)值模型基元參數(shù)設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同試件尺寸的破壞特性分析

3.1.1 不同尺寸單軸壓縮條件下破壞特性分析

由圖4可知,試件高度較小時(shí),單軸壓縮過(guò)程中試件整體受到端部效應(yīng)的約束,隨著試件尺寸增大,中部應(yīng)力區(qū)接近于一維應(yīng)力狀態(tài),端部效應(yīng)明顯減弱。隨著加載步的持續(xù)增加,巖石內(nèi)部顆粒之間的摩擦或裂紋逐漸張開(kāi),隨著荷載的增加,裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通,裂紋從左側(cè)底部逐步向中部擴(kuò)展、貫通直至破壞,小試件以橫向裂隙和局部剪切破壞為主,大試件則以剪切破壞為主。

圖4 不同尺寸試件單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M破壞

3.1.2 巖體強(qiáng)度特性與試件尺寸的關(guān)系

從圖5可知,試樣尺寸越小,峰值強(qiáng)度越高,此時(shí)5種尺寸試樣峰值強(qiáng)度區(qū)間為18～26 MPa,當(dāng)試件直徑在φ50～φ200 mm時(shí),應(yīng)力增長(zhǎng)較快,峰后階段應(yīng)力下降較緩,彈塑性破壞顯著,當(dāng)尺寸繼續(xù)增大時(shí),應(yīng)力增幅減小,峰后應(yīng)力下降陡峭,表現(xiàn)為脆性破壞明顯;試件直徑大于φ200 mm后,彈性模量呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖5 不同尺寸試件應(yīng)力-應(yīng)變

綜合表2和圖6可知,隨著試件尺寸增加,試件抗壓強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度均逐漸減小,脆性逐漸增大,試件直徑為φ50 mm時(shí),單軸抗壓強(qiáng)度為26.8 MPa,直徑為φ300 mm時(shí),峰值強(qiáng)度為19.8 MPa,直徑由φ50 mm增加到φ300 mm,抗壓強(qiáng)度降低了35.6%,巖石試件尺寸對(duì)峰值強(qiáng)度有明顯影響。當(dāng)巖石試件直徑在φ50～200 mm時(shí),峰值強(qiáng)度下降趨勢(shì)明顯;當(dāng)直徑超過(guò)φ250 mm后,強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。巖石峰值強(qiáng)度隨巖石尺寸增大逐漸減小,當(dāng)增大到一定程度后,逐漸趨于穩(wěn)定。隨著試件尺寸增大巖石峰后脆性增強(qiáng),試件峰值應(yīng)變以及殘余強(qiáng)度呈線性增加,同時(shí)塑性變形逐漸增大,試件破壞形態(tài)發(fā)生明顯變化,當(dāng)試件尺寸大于某一范圍時(shí),試件強(qiáng)度基

表2 不同尺寸下巖石峰值載荷與峰值應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

圖6 峰值強(qiáng)度隨試件直徑變化關(guān)系

本保持在相對(duì)的穩(wěn)定值。

3.1.3 聲發(fā)射分析

聲發(fā)射能正確反映巖石內(nèi)部活動(dòng)信息,對(duì)巖石破壞分析具有重要的作用,不同試件聲發(fā)射破壞圖及聲發(fā)射-加載步曲線如圖7所示。

圖7 各尺寸試件聲發(fā)射個(gè)數(shù)-加載步數(shù)

由圖7可知,聲發(fā)射大致經(jīng)歷了3個(gè)階段:

(1)穩(wěn)定階段:主要為巖石壓密階段,細(xì)小裂紋和致密空隙被緩慢擠壓閉合,聲發(fā)射呈現(xiàn)非常微弱的信號(hào)。

(2)緩慢增長(zhǎng)階段:聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨著荷載不斷增大呈明顯增加趨勢(shì),但從整體上該階段前期和中期相對(duì)較穩(wěn)定,主要原因是此過(guò)程中應(yīng)力相對(duì)較小。

(3)活躍階段:聲發(fā)射信號(hào)隨著接近應(yīng)力峰值迅速增強(qiáng),聲發(fā)射數(shù)呈現(xiàn)跳躍式增長(zhǎng),并存在間斷性活躍,這是因?yàn)殡S著荷載持續(xù)增加試件內(nèi)部原始裂紋不斷發(fā)育并開(kāi)始產(chǎn)生新裂紋,上升過(guò)程中出現(xiàn)拐點(diǎn),這是試件將產(chǎn)生破壞的一個(gè)重要信號(hào)。

當(dāng)試件尺寸較小時(shí),聲發(fā)射累計(jì)個(gè)數(shù)隨加載步數(shù)增加而緩慢增加,達(dá)到峰值后開(kāi)始減小,甚至出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象;當(dāng)試件尺寸逐漸增大時(shí),聲發(fā)射累計(jì)個(gè)數(shù)隨加載步數(shù)的增加迅速增大,產(chǎn)生“突增”現(xiàn)象,最終逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)聲發(fā)射累計(jì)個(gè)數(shù)增加到一定程度后,試件產(chǎn)生明顯破壞,不同尺寸試件聲發(fā)射特性具有明顯的相似性。當(dāng)巖石試件內(nèi)部主裂紋貫通,試件由整體變成碎裂狀,試件發(fā)生破壞,從而導(dǎo)致試件承載能力急劇下降。

3.2 不同隧道模型尺寸的破壞特性分析

3.2.1 跨度尺寸效應(yīng)

按照確定的RFPA巖石力學(xué)細(xì)觀參數(shù),基于現(xiàn)場(chǎng)隧道車(chē)道數(shù)考慮,以隧道底部中心為原點(diǎn),分別設(shè)置開(kāi)挖跨度為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m的隧道模型,模擬隧道在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa法向壓力下的剪切試驗(yàn),分析不同開(kāi)挖跨度下巖體力學(xué)變化規(guī)律以及破壞特征(圖8)。

圖8 不同開(kāi)挖跨度下隧道剪應(yīng)力

由圖8可知隧道開(kāi)挖后,隧道頂部應(yīng)力明顯超過(guò)底部,這是由于頂部巖體在卸荷后向洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)更加顯著,這一現(xiàn)象被稱(chēng)為“內(nèi)空收斂”。而且隧道產(chǎn)生了應(yīng)力集中,隧道拱頂及拱腰處剪應(yīng)力值比較大,形成X狀共軛斜面剪切破壞,隨著開(kāi)挖跨度增大,圍巖巖體“顯得”更破碎,最大剪應(yīng)力也增大,而且拱頂和仰拱先后出現(xiàn)了斷裂,說(shuō)明在隧道開(kāi)挖卸荷后,圍巖穩(wěn)定程度變差,應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù),防止巖體發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致隧道失穩(wěn)破壞(表3)。

表3 不同開(kāi)挖跨度下隧道模型擬合曲線數(shù)據(jù)

從圖9隧道粘聚力和內(nèi)摩擦角隨開(kāi)挖跨度的變化特征可知:

圖9 隧道粘聚力和內(nèi)摩擦角隨開(kāi)挖跨度變化規(guī)律

(1)當(dāng)開(kāi)挖跨度在10～30 m時(shí),粘聚力和內(nèi)摩擦角變化比較明顯,且隨著試樣尺寸的增加表現(xiàn)為降低趨勢(shì);當(dāng)開(kāi)挖跨度達(dá)到30 m時(shí),兩者趨于穩(wěn)定,此時(shí)可以認(rèn)為REV尺寸為30 m。

(2)當(dāng)REV尺寸為30 m時(shí),所對(duì)應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)能代表巖體的宏觀力學(xué)參數(shù)。

(3)當(dāng)開(kāi)挖跨度由10 m增加到50 m時(shí),粘聚力和內(nèi)摩擦角呈下降趨勢(shì),開(kāi)挖跨度為30 m相比于40 m時(shí),粘聚力由16.3 kPa降低至15.9 kPa,下降幅度為2.5%;內(nèi)摩擦角由31.4°降低為31.0°,下降幅度為1.3%。

由圖10可知,隨著開(kāi)挖跨度增大,巖體的結(jié)構(gòu)面增多,巖體的脆性特征降低,延展性特征增大,巖體強(qiáng)度呈降低趨勢(shì),當(dāng)開(kāi)挖跨度為30 m時(shí),巖體強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定,約為18.3 MPa,相比于標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度下降了57.6%,由此可知節(jié)理砂巖的尺寸效應(yīng)為30 m,隧道為三車(chē)道,寬度約為18 m,由曲線擬合得出的方程為σ=54.6x-0.31,代入計(jì)算得到巖體抗壓強(qiáng)度為19.8 MPa,可為隧道巖體力學(xué)參數(shù)的確定開(kāi)挖供依據(jù)。

圖10 巖體強(qiáng)度隨開(kāi)挖跨度的變化曲線

3.2.2 節(jié)理巖體傾角效應(yīng)

巖體的結(jié)構(gòu)面主要包括節(jié)理、裂隙、軟弱片理和軟弱層面等各種破裂面,不同節(jié)理的傾角對(duì)巖體的力學(xué)參數(shù)有顯著影響,造成巖體強(qiáng)度和變形參數(shù)的各向異性特征。因此對(duì)尺寸為50 m×70 m、30 m×50 m的隧道模型,設(shè)置傾角為0°、30°、45°、60°時(shí),研究不同傾角的隧道的破壞模式和巖體強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律(圖11～圖14)。

圖11 節(jié)理與水平面不同夾角

從圖12～圖14可知,試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著夾角增大呈現(xiàn)逐漸較小的趨勢(shì),但沿著各個(gè)方向上的變化特征程度不一致。當(dāng)節(jié)理與水平面的夾角為0°時(shí),兩模型單軸抗壓強(qiáng)度最大,分別為15.7 MPa、13.6 MPa;當(dāng)節(jié)理與水平面夾角為45°時(shí),抗壓強(qiáng)度為10.4 MPa、9.6 MPa,分別下降了33.8%、29.4%;當(dāng)夾角為60°時(shí)下降幅度大大降低。當(dāng)節(jié)理與水平面夾角大于45°后,降低趨勢(shì)逐漸變小,總體來(lái)看50 m×70 m尺寸試件相比于30 m×50 m試件在相同的夾角下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量均小于后者,試件尺寸增大,節(jié)理間距變大,直徑也相應(yīng)增大,巖體力學(xué)參數(shù)隨直徑增加而減小,彈性模量變化趨勢(shì)與單軸抗壓強(qiáng)度變化類(lèi)似。

圖12 50 m×70 m單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨節(jié)理與水平面的不同夾角變化

圖14 不同尺寸下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨節(jié)理與水平面的不同夾角變化

4 結(jié)論

隧道及地下工程的穩(wěn)定性直接依賴(lài)于圍巖強(qiáng)度、變形等特征,因此巖石的尺寸效應(yīng)在地下工程穩(wěn)定性分析時(shí)顯得尤為重要,但往往容易被忽略,本文依托隧道節(jié)理砂巖特點(diǎn),采用RFPA 軟件對(duì)試樣尺度和模型尺度下砂巖試件強(qiáng)度和節(jié)理巖體強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值分析,研究砂巖試件尺寸及模型尺度的強(qiáng)度變化規(guī)律以及節(jié)理巖體隧道在不同開(kāi)挖跨度下、不同傾角下巖體力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律,結(jié)論有幾點(diǎn):

(1)不同尺寸試件單軸壓縮過(guò)程中,尺寸較小時(shí)試件以橫向裂隙和局部剪切破壞為主,尺寸較大時(shí)則以剪切破壞為主,且當(dāng)試件尺寸大于某個(gè)值時(shí),試件應(yīng)力及峰值強(qiáng)度基本保持不變,此時(shí)可近似忽略尺寸效應(yīng)對(duì)巖體強(qiáng)度的影響。聲發(fā)射累計(jì)個(gè)數(shù)隨加載步數(shù)的增加先緩慢增加,然后迅速增加,當(dāng)聲發(fā)射累計(jì)個(gè)數(shù)增加到一定程度后,試件產(chǎn)生劇烈破壞,不同尺寸巖石試件的聲發(fā)射特性具有明顯的相似性。尺寸較小的試件出現(xiàn)大數(shù)量的聲發(fā)射個(gè)數(shù)較多,而大尺寸試件中大數(shù)量聲發(fā)射數(shù)出現(xiàn)較少,體現(xiàn)了隨著試件尺寸的增大,試件脆性破裂特征越來(lái)越明顯。

(2)對(duì)比分析隧道模型的開(kāi)挖跨度效應(yīng)時(shí),隨著斷面開(kāi)挖跨度增大,圍巖巖體“顯得”更為破碎,粘聚力和內(nèi)摩擦角呈降低趨勢(shì),圍巖完整性程度低,穩(wěn)定性變差。當(dāng)REV為30 m時(shí),尺寸效應(yīng)不明顯,節(jié)理巖體巖石力學(xué)參數(shù)粘聚力為16.3 kPa、內(nèi)摩擦角為31.4°。

(3)隨著巖體中節(jié)理與水平面夾角的增大,單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量均表現(xiàn)為減小的趨勢(shì),使得隧道圍巖應(yīng)力減小,穩(wěn)定性降低。當(dāng)節(jié)理與水平面夾角在0°～45°范圍內(nèi)時(shí),下降明顯,之后趨于穩(wěn)定。另外,50 m×70 m的尺寸模型的抗壓強(qiáng)度、彈性模量在相同夾角下小于30 m×50 m的模型,說(shuō)明巖體的強(qiáng)度參數(shù)受模型尺寸的影響較大,當(dāng)模型尺寸增加到一定程度后,巖體力學(xué)參數(shù)趨于穩(wěn)定。

(4)由于巖石材料的非均勻性和節(jié)理巖體尺寸空間的差異性,隧道圍巖應(yīng)力隨著隧道開(kāi)挖尺度的增大而上升,隧道斷面的剪應(yīng)力越大,隧道發(fā)生破壞的可能性越大,模擬試驗(yàn)結(jié)果可為類(lèi)似相關(guān)工程巖體力學(xué)參數(shù)確定提供參考和借鑒。