岩体裂面剪切劣化分析理论与方法

第1章 绪论 1.1 研 究 意 义 工程岩体在扰动前都存在大量的原生节理、裂隙，而工程开挖后又会产生很多新破裂面，这些原生节理面和新生破裂面及其相互作用是导致岩体松弛、开裂、剪切变形、结构破坏的本质因素。为此，可将工程岩体中原始节理、结构面和新生破裂面统称为岩体裂面并加以分析与研究。这些岩体裂面不仅破坏了岩体的完整性和连续性，显著降低了岩体的整体强度，还使工程岩体表现出不同于其他工程材料的非均质、非连续、各向异性（唐辉明，2008；夏才初等，2002；王思敬，1990；孙广忠，1988；Barton etal.，1985；谷德振，1979；Deere，1964）。而且，工程岩体的宏观变形与破坏通常也是众多细观裂面张开、扩展、贯通、剪切错动渐进演化的*终结果。因此，深入分析岩体裂面的剪切损伤过程与剪损裂化力学机制是全面揭示工程岩体变形破坏及其灾变过程的关键。 随着“一带一路”“西部大开发”等相关基础设施建设的推进，以及深部资源开采与资源开发的逐年发展，复杂地质条件下大型基础性工程的数量和规模还将持续增长，如“一带一路”交通沿线存在大量含裂面岩体的基础工程，其中川藏铁路近90%的桥隧工程都涉及岩体裂面力学稳定性的问题。可见，岩石裂面力学性质及其含裂面岩体稳定性评价是我国复杂地质地区重大基础工程建设中难以回避的关键技术问题之一。大量工程实践与岩体失稳灾害事故都表明工程岩体失稳破坏与岩体裂面有直接关系（陈祖煜等，2005；杜时贵，1999；王思敬，1990；Pollard etal.，1988），例如：邓宜明等（1987）对大瑶山隧道施工过程中29次塌方进行调查，显示有22次隧道塌方都与围岩裂面剪切滑动相关；造成了500余人死亡和失踪的法国马尔帕塞拱坝溃决地质诱因是岩体内裂面发育并发生剪切破坏（冯寺燄，1988）；导致了高达2000余人死亡和失踪的意大利瓦依昂大坝坝前的山体滑坡也是因为沿着软弱裂面发生了剪切大变形（陈祖煜，2005）；近年造成了1000余人受灾的丽水市遂昌县北界镇山体滑坡的诱因与山体裂面剪切破坏密切相关（韩菁雯等，2017）；大岗山水电站地下厂房顶拱3000m3的塌方事故与岩体内发育的节理裂面有直接关系（魏志云等，2013）。因此，包含“岩块+裂隙面”二元结构的工程岩体，其扰动下力学行为及其灾变机制研究关键就是岩体连续/非连续裂面的剪断、剪切、滑移过程及其理论描述。 谷德振院士对岩体稳定性与其裂面之间的关系进行过深入论述，他指出岩体的完整性主要取决于裂面的性质和数量；岩体工程稳定性主要取决于岩体裂面的几何形态及软弱面的抗滑阻力或泥化程度（谷德振，1979）；在第12届国际岩石力学大会上，Barton（2011）强调“绝大部分现实的工程岩体都是含裂面、裂隙岩体”。因此，为了分析岩体裂面的力学性质和工程岩体的稳定性，岩体裂面表面的几何形貌特征分析十分重要。而且，工程中岩体在发生失稳破坏时往往是沿着连续/非连续裂面发生的剪切，研究裂面的剪切特性并建立相应的力学模型对揭示工程岩体剪切失稳过程、评估工程岩体安全状态具有重要意义。 近年来发展的3D扫描、3D打印、3D雕刻等技术给岩体裂面形貌特征分析、剪切力学特性分析提供了新手段，也为进一步完善岩体裂面变形和强度力学模型提供了新的支撑。3D扫描技术可以无接触地获取物体表面几何特征，这为从3D角度开展裂面形貌特征分析提供了基础数据；3D打印技术是一种以数字模型文件为基础的快速成型技术，它可以便捷地制作出复杂的天然裂面3D实体模型，这为分析天然粗糙裂面的剪切特性提供了新的制样手段；3D雕刻技术是将计算机技术与机械加工技术相融合，可以将岩体裂面的几何信息复刻于真实岩体表面，这为分析真实岩体裂面的力学特征提供了新途径。 为此，本书以工程岩体连续/非连续裂面为研究主线，借助3D打印技术、3D扫描技术、3D雕刻技术并融合图像处理和数据重构等技术，建立岩体裂面的细观形貌分析方法，提出岩体裂面物理模型制样技术，揭示岩体裂面的宏细观剪损劣化力学特性，构建岩体裂面剪切强度劣化模型和含裂面工程岩体等效力学模型，较系统地揭示岩体裂面的基本剪切力学特性并阐述含裂面岩体的变形破坏力学模型。 1.2 问题与现状概述 1.2.1 岩体裂面形貌描述方法 裂面形貌特征作为影响岩体剪切行为的重要因素之一，其表面形态复杂，且还具有很大的随机性，如何合理地对其进行定量描述一直是岩体力学研究中的难点和热点问题。1973年，挪威学者Barton在研究岩体裂面表面特征对剪切行为影响时，提出利用裂面粗糙度系数（joint roughness coefficient，JRC）来表征裂面的表面形貌特征；随后Barton等（1977）通过对136种不同裂面剪切试验的分析，提取了10条典型的裂面轮廓曲线，并建议可以通过匹配这10条标准轮廓曲线来量化JRC，并作为估算JRC的国际标准加以推广（Brown，1981）。然而，部分学者在研究过程中发现该方法是存在主观性的。例如：Beer等（2002）曾做过一项调查，分别让125个、123个、122个有专业背景的人根据10条JRC标准轮廓线估计3组不同裂面的JRC值，发现其估算值具有较大的离散性；Hsuing等（1993）、Alameda-Hernández等（2014）、Grasselli等（2003）和Xia等（2014）也做过类似的调查，同样得出存在主观不确定性的结论。为了克服这种取值主观性，很多学者提出用一些定量参数来描述裂面的形貌特征，进而来确定裂面的粗糙度。目前，常用的方法大致可以分为两种，即统计参数法和分形参数法（宋磊博，2017a）。 引入统计参数法评估裂面形貌特征是Tse等（1979）提出的坡度均方根Z2和结构函数SF，他们通过对10条JRC标准轮廓线的分析建立了这两个参数与JRC值的拟合关系。为了克服裂面形貌特征的尺寸效应，Reeves（1985）用平均隙宽梯度（Z2/dx）来代替Z2，同时也给出了参数Z2/dx与JRC值的关系；Maerz等（1990）提出用粗糙度指数Rp来度量裂面的粗糙度，并通过计算10条JRC标准轮廓曲线的Rp值建立了与JRC值的关系；Lee等（1997）通过人工制作的裂面，在考虑了取样长度对各统计参数影响的前提下，给出了JRC与平均倾角i、i的均方根iRMS、标准方差SDi、粗糙度指数Rp 4个参数的各个回归关系。以上是利用统计学方法对裂面表面形态进行描述，但是其参数往往受到样本测量步距和仪器测量精度的影响，即统计参数具有采样间隔效应（Gu etal.，2003）。Yu等（1991）研究发现在不同的采样间隔（0.25mm、0.5mm、1.0mm）下，统计参数Z2、Rp和SF与JRC的拟合公式也是有区别的；夏才初（1996）提出了采样间隔效应的概念，并指出高度均方根、坡度均方根、峰点密度都随着采样间距的增大呈减小的趋势，但峰顶平均半径却有相反的规律；Hong等（2008）对27 条剖面线采用4种不同的采样间隔（0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm），对表征粗糙度的几何参数RL进行计算，结果表明RL与采样间距呈反比关系；Tatone等（2013）以不同的采样间隔（0.044mm、0.25mm、0.50mm、1.00mm）对岩体裂面进行度量，结果表明粗糙度随着采样间距的减小而增大。由于统计参数间隔效应的存在，使用统计参数来确定裂面粗糙度时，即使同一裂面，当采样间隔不同时其粗糙度也是有区别的。但上述关于间隔效应的研究，大部分所涉及的采样间距过小，导致分析结果具有较大的离散性，且大部分研究停留在定性描述阶段。值得提出的是，在工程中估算岩体裂面剪切强度*常使用的结构面粗糙度系数定向统计测量（joint roughness coefficient-joint compressive strength，JRC-JCS）剪切强度公式，采用的裂面采样间隔为0.5~1.0mm（Barton，1977，1973），但如果用其他高精度的裂面数据所计算的JRC值则无法直接代入该强度公式来估算岩体的剪切强度。随着测量技术的发展，基于光电技术的非接触式测量仪器已广泛应用于裂面的测量（宋磊博等，2017a；Jiang etal.，2017；Li etal.，2015；Jang etal.，2014；Xia etal.，2014；Tatone etal.，2010；Grasselli etal.，2003）。如果想将所获得的高精度裂面点云数据应用于相关剪切强度公式中，就有必要对常用统计参数在不同采样间隔下的稳定性进行深入分析和定量描述。另外，高精度的裂面点云数据虽然给分析其表面特征带来很大便利，但其点云数据十分庞大，导致普通计算机很难承担，给该技术推广和裂面分析带来了不利影响。因此，确定一个既能满足岩体裂面形貌特征分析的要求，又一定程度上减小计算耗时的合适采样间距是目前亟须解决的问题。 为了克服统计参数间隔效应对度量裂面形貌特征的影响，部分学者试图寻找不受测量间隔影响的参数，而法国数学家Mandelbrot（1982）在20世纪70年代所创立的分形几何为此提供了一种新的思路。Carr等（1987）首次将分维引入裂面粗糙度的描述，并建立了分维指数和JRC的关系。谢和平等（1994）用分形理论模型来模拟裂面的粗糙性。Turk等（1987）、Muralha（1992）、Seidel等（1995）及Lee等（1990）利用码尺法计算裂面剖面的分形维数，并度量了10条JRC标准轮廓线的分形维数。Kulatilake等（2006）后来指出单一的分形维数可能不足以度量岩体裂面全部的形貌特征信息，并提出用两个分形参数来描述裂面的粗糙度，如分形维数与割线长度或分形维数与截距等。目前利用分形维数D来描述裂面粗糙度的特性虽然达到了很好的效果，但它仅限于描述给定轮廓曲线的情况，或者定量描述裂面剖面线的分形性质，并未考虑实际上天然岩体裂面具有显著的各向异性和明显随机性这一基本特征。上述的统计参数法和分形参数法是从2D角度对裂面粗糙度进行度量的，这些方法提取数据简单、处理方便，并且与JRC具有较好的拟合关系，常用来确定结构面粗糙度JRC的值。但是，这些2D统计参数都有一个共同的缺陷，即这些参数不能反映裂面除所使用2D剖面线以外的形貌特征，其所揭示的几何表面信息是有限的，这也是部分学者（Xia etal.，2014；Hong etal.，2008；Grasselli etal.，2003；Beer etal.，2002）认为JRC-JCS剪切强度准则在估算裂面强度时估算值偏低的原因，因此，部分学者试图从3D角度对岩体裂面的粗糙度进行分析。 在从3D角度对岩体裂面形貌特征进行分析的过程中，3D测量技术可以在无接触的状态下获取物体表面的点云数据，该项技术在岩体工程中的推广与应用，为我们从3D角度全面地认识裂面的几何特征提供了基础，很多学者已经提出了一些评价裂面三维形貌特征的3D参数。Belem等（2000）提出利用3D的平均倾角θs、各向异性度Ka、平均梯度Z2S和表面扭曲参数Ts 5个参数来描述裂面的3D形貌特征；Grasselli等（2002）考虑了剪切方向上裂面倾角和接触面积的关系，建立了裂面上有效倾角与其对应接触面积的统计函数，提出了度量裂面3D粗糙度的参数；考虑参数，当C=0时将失去意义；Tatone等（2009）经过数学推导提出了利用参数来表征裂面的粗糙度；并且Tatone等（2010）对参数进行了2D化处理，经过对10条JRC标准轮廓曲线的分析，提出了2D参数与JRC值的拟合关系；葛云峰（2014）基于光亮面积百分比提出了考虑裂面各向异性的3D形貌特征参数BAP；陈世江等（2015）也提出了一个考虑裂面各向异性特征的3D形貌特征参数SRv；孙辅庭等（2014）基于离散三角形面积单元的3D裂面，提出了包含裂面起伏特征、角度特征及分形特性的3D指标SRI来描述裂面的