节理岩体结构面连通性研究及其应用
岩体的工程地质性质
岩体是在漫长的地质历史中形成与演变过来 的地质体，它被许许多多不同方向、不同规模的 断层面、节理面、裂隙面、层面、不整合面、接 触面等各种地质界面切割为形状不一、大小不等 的各种各样的块体。所以，岩体是指一定工程范 围内，一种或多种岩石中的各种结构面、结构体 的总体。因此，岩体不能以单块岩石为代表，单 块岩石强度较高，但被结构面切割破碎时，其构 成的岩体的强度却较小。所以岩体中结构面的发 育程度，性质及连通程度等，对岩体的工程地质 性质都有很大的影响。
岩体内结构面连通性
结构面的张开度和填充情况
结构面的张开度是指结构面的两壁隔开的距离。 以张开度的大小区分，主要分为：闭合的，微张开 的，张开的，宽张的。 闭合的结构面的力学性质取决于结构面两壁的 岩石性质和结构面粗糙程度。微张的结构面的剪切 强度比张开的结构面大。张开的和宽张的结构面， 其抗剪强度取决于填充物的成分和厚度。填充物为 黏土时比为砂质时强度低；为砂质时比砾质低。
块状结构岩体
层状结构岩体
碎裂结构岩体
散体结构岩体
谢~谢！
结构面的密度
它反映了节理的发育程度和岩体的完整性， 通常以线密度（条/m）或结构面的间距来表示. 节理发育程度分级
分级 节理间距（m） 节理发育程度 岩体完整性 Ⅰ ＞2 不发育 Ⅱ 0.5～2 较发育 Ⅲ 0.1～0.5 发育 Ⅳ ＜0.1 极发育
完整
块状
碎裂
破碎
结构面的连通性（贯通性、延展性） 在一定空间范围内的岩体中，结构面的走向、 倾向方向的连通程度。如图所示：
2.结构体类型 结构体是指岩体中被各类各级结构面切 割并包围的岩石块体及岩石集合体。根据其 外形特征结构体分为柱状、块状、板状、楔 形、菱形和锥形等六种基本形态。
沉积岩的孔隙结构与渗透性关系研究及应用
沉积岩的孔隙结构与渗透性关系研究及应用沉积岩是指由颗粒沉积所形成的岩石，多数沉积岩具有丰富的孔隙结构，孔隙对于岩石的渗透性具有重要影响。
本文将围绕沉积岩的孔隙结构与渗透性关系进行研究，并探索其在工程领域的应用。
一、孔隙结构对渗透性的影响孔隙结构是指岩石中各种形态的空隙的聚集特征。
沉积岩的孔隙结构多种多样，可以分为储层孔隙和非储层孔隙两类。
储层孔隙是指可以储存和运移水、油、气等流体的空隙，而非储层孔隙则不具备这种能力。
孔隙结构对于岩石的渗透性起着至关重要的作用。
首先，孔隙结构的连通性是决定渗透性的关键因素。
当岩石中的孔隙连通度较高时，流体在岩石中的渗透能力较强，渗透性较高。
相反，如果孔隙结构中存在不连通的孔隙或者孔隙之间的连接通道较少，则岩石的渗透性将受到限制。
其次，孔隙结构的大小和形态也对渗透性产生影响。
大型孔隙可以容纳更多的流体，提高渗透性；而小型孔隙则会限制流体的渗透能力。
此外，孔隙的形态也会影响渗透性，如平行排列的孔隙比较容易形成渗透通道，从而提高渗透性。
最后，孔隙结构的分布均匀性也会对渗透性产生影响。
当岩石中的孔隙分布较为均匀时，流体可以通过多个通道进行渗透，渗透性较高；反之，如果孔隙分布不均匀，流体只能通过有限的通道进行渗透，渗透性将受到限制。
综上所述，沉积岩的孔隙结构对其渗透性具有重要影响。
孔隙结构的连通性、大小和形态、以及分布均匀性都会对渗透性产生直接影响。
二、沉积岩孔隙结构与渗透性关系的研究方法为了深入研究沉积岩孔隙结构与渗透性之间的关系，研究者采用了多种方法进行实验和分析。
首先，扫描电子显微镜（SEM）技术可以用来观察沉积岩的孔隙结构。
通过SEM的高分辨率成像能力，可以清晰地观察到不同大小和形态的孔隙，并进一步分析孔隙的连通性和分布情况。
其次，物理实验方法也广泛应用于沉积岩孔隙结构与渗透性的研究。
例如，压汞法可以测定岩石的孔隙度和孔隙连通率，从而评估渗透性。
此外，基于数学模型的计算方法也用于分析孔隙结构与渗透性之间的关系。
遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究
第50 卷第 9 期2023年9 月Vol.50，No.9Sept. 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究黄娟1，周世杰1，贾朝军1†，宋银涛1，张建2（1.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2.中铁五局集团有限公司，湖南衡阳 420002）摘要：为弥补遍布节理模型未考虑节理长度、间距及节理刚度的不足，利用三轴压缩数值试验和参数校准准则，对有限差分软件FLAC3D中的遍布节理模型进行参数校准. 通过圆形洞室开挖的算例，对比分析了遍布节理模型与3DEC块体离散元模型的计算结果在位移、塑性区以及最大主应力上的差异. 依托具有典型层状围岩的新华山隧道工程，采用校准的遍布节理模型和离散元方法分析隧道开挖和初期支护后的力学响应. 最后探讨了层理角度对围岩变形和塑性区的影响，进一步验证校准后的遍布节理模型在工程中的适用性. 研究表明，经过校准的遍布节理模型能够较好地描述层状岩体的各向异性行为，可应用于类似工程之中.关键词：岩石力学；各向异性；遍布节理模型；隧道开挖中图分类号：TU45 文献标志码：AApplicability of Ubiquitous-Joint Model in Layered Rocks Simulation HUANG Juan1，ZHOU Shijie1，JIA Chaojun1†，SONG Yintao1，ZHANG Jian2（1.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075， China；2.China Railway No.5 Engineering Group Co.， Ltd.， Hengyang 420002， China）Abstract：To address the limitations of the Ubiquitous-Joint model which does not consider the effects of joint length， joint spacing， and joint stiffness， the parameters of the Ubiquitous-Joint model in FLAC3D were calibrated using triaxial compression numerical tests and parameter calibration criteria. The distinctions of modeling results between the Ubiquitous-Joint model and the 3DEC model including the deformation，the plasticity zone，and the maximum principle stress were compared and analyzed by an example of circular tunnel excavation. Based on the Xinhua Mountain Tunnel project with typical layered rock mass，the deformation and failure mode were analyzed with the calibrated Subiquitous model and discrete element method after the tunnel was excavated and primary support finished. Finally，the deformation and plastic zone of surrounding rock influenced by bedding angle was discussed，which further verified the applicability of the calibrated Subiquitous model in engineering. The results confirm that the calibrated Subiquitous model is capable to well describe the anisotropic behavior of layered rock，which can be applied to similar engineering projects.Key words：roke mechanics；anisotropy；Ubiquitous-Joint model；tunnel excavation∗收稿日期：2022-08-02基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1934211），National Natural Science Foundation of China（U1934211）作者简介：黄娟（1977—），女，湖北荆州人，中南大学副教授，博士† 通信联系人，E-mail：******************.cn文章编号：1674-2974（2023）09-0131-11DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023109湖南大学学报（自然科学版）2023 年层状岩体是岩土与地下工程建设中经常遇到的一类岩体，在自然界中广泛分布. 长期地质构造作用下所形成的层理面使岩体在强度和变形等方面都表现出明显的各向异性，这对隧道开挖时岩体锚固［1］、衬砌开裂、仰拱隆起［2］等工程问题有着显著的影响.因此，层状岩体的力学行为与响应机制研究具有重要意义与研究价值.近年来，随着材料本构不断完善以及计算机技术的更新迭代，越来越多的数值模拟技术用于岩体力学特性的研究，为室内试验或现场测试的局限性提供了补充和解决办法. 王培涛等［3］应用颗粒流软件PFC2D研究了不同层理角度的黑云变粒岩的强度特性. Singh等［4］通过UDEC探究了节理岩体在单轴加载条件下产生高侧向应变的原因. 刘爱华等［5］采用有限元软件ANSYS模拟了不同层面倾角的岩体抗拉、抗压试验下的破坏形态. 此外一部分学者还将有限元法［6-7］、有限差分法［8］、离散元法［9］、有限-离散元法［10］、真实破裂过程分析方法［11］等数值方法应用于模拟层状围岩地下洞室的变形和破坏机理等方面.虽然数值模拟方法繁多，但相比之下，采用离散元法能够最有效地描述层状岩体等不连续材料的力学性能［12］. 然而，考虑到离散元法计算的效率，若要模拟全部的节理或层理构造以进行某些大型地下工程的开挖掘进是不太可取的［13］. 近年来，有学者研发了高效颗粒离散元软件MatDEM［14］，但颗粒离散元软件很大程度上依赖于本构参数的准确标定，且该软件暂未广泛应用于层状岩体模拟之中. 为了避免这些限制，通常可以采用FLAC3D中的遍布节理模型来表示一些层状各向异性岩体. 例如，蒋青青等［15］采用FLAC3D内置的Ubiquitous-Joint模型分析了层状岩质边坡开挖过程中层理倾角和倾向与安全系数之间的关系. 朱泽奇等［16］、周鹏发等［17］采用改进的Ubiquitous-Joint模型模拟了层状围岩地下洞室开挖时的变形和破坏. Sainsbury等［18］针对岩体中普遍存在的随机节理，通过建立与主节理或层理方向正交的节理集，并提出遍布节理模型参数修正准则，较好地描述了自然界中各向异性岩体强度和变形特性.然而，目前遍布节理模型中参数的物理意义不够明确，不能由试验结果直接获取. 由于遍布节理模型没有考虑节理间距和节理刚度，如果直接将其材料参数与离散元模型的岩块和结构面参数赋值一致，模拟结果不能真实地反映实际工程中的岩体强度或变形. 因此，需要对遍布节理模型的参数进行校准修正，以便为工程设计或施工提供有意义的参考.本文通过总结部分学者对层状各向异性岩体的研究，在Sainsbury研究的基础上，分别采用FLAC3D 中的Ubiquitous-Joint模型和Softening-ubiquitous模型（考虑应变软化的Ubiquitous-Joint模型，以下简称Subiquitous模型）以及块体离散元软件3DEC对层状岩体的力学特征进行模拟并作对比分析. 基于校准后的Subiquitous模型，通过分析新华山隧道开挖和支护过程，揭示层理对围岩变形和破坏特征的影响，验证遍布节理模型的适用性.1 （应变软化）遍布节理模型在FLAC3D中，遍布节理模型有Ubiquitous-Joint 和Subiquitous模型两种. Ubiquitous-Joint模型［19］对应于摩尔-库仑模型，即在摩尔-库仑体中加入节理面，该节理面也服从摩尔-库仑屈服准则，使材料表现出强度各向异性. Ubiquitous-Joint模型同时考虑了岩石基质和节理的物理力学属性，必须在模型的指定区域内同时赋予基质和节理的参数.节理面的破坏包括拉伸和剪切破坏，如图1所示，其中剪切破坏包络线AB表示为f s=0：f s=τ+σ3′3′tanϕj-c j=0.（1）拉伸破坏包络线BC表示为f t=0：f t=σ3′3′-σt j=0.（2）式中：ϕj、c j和σt j分别为节理面的内摩擦角、黏聚力和抗拉强度；σ3′3′为节理面上的正应力.该模型的计算公式中未涉及节理的间距、长度以及岩层的弯曲刚度等. 如果不对相应的力学参数进行校准，可能会得到错误的岩体强度和变形响应. Subiquitous模型［19］是广义的Ubiquitous-Joint模型，该模型中基质和节理强度符合双线性摩尔-库仑准则，且允许材料基质和节理的强度发生硬化或软图1 节理面破坏准则Fig.1 Joint failure criterion132第 9 期黄娟等：遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究化. Subiquitous 模型和Ubiquitous-Joint 模型都是先根据摩尔-库仑准则检测基质的屈服，并进行相应的塑性修正，然后分析在新的应力状态下节理面上的破坏，在材料未达到极限强度前力学行为一致.在遍布节理模型中，弱面对岩体强度的影响通常与Jaeger 提出的单弱面理论［20］进行比较. 单弱面理论指出，当1-tan ϕtan β>0时，若满足式（3）则会发生结构面的剪切破坏.σ1≥σ3+2()c +σ3tan ϕ(1-tan ϕtan β)tan β.（3）式中：c 、ϕ分别为结构面的黏聚力和内摩擦角；β为结构面的倾角. 当1-tan ϕtan β<0时，岩体不会沿结构面破坏，只会发生基质的破坏. 故该理论只允许出现沿结构面的剪切滑移破坏和基质的破坏两种破坏模式.图2为Ubiquitous-Joint 模型［19］和Jaeger 单弱面理论的岩体承载强度与结构面倾角的关系的对比，可以看出两者紧密匹配.图2中ϕw 为结构的内摩擦角，其中曲线为带有“肩部”的“U ”形曲线. 当β<ϕ或β=90°时，岩体强度与弱面无关.图3为部分已有的层状岩体三轴压缩试验研究［21-24］，由图3可知，岩体的强度随着层面倾角连续变化，这一特征也得到了许多研究人员的验证. 而单弱面理论不能充分描述自然存在的层状岩体的各向异性. 遍布节理模型也存在同样的局限性，故需要进一步探讨其适用性.2 遍布节理模型与离散元模型的对比为了探讨遍布节理模型对层状岩体模拟的有效性，针对已有的层状页岩三轴压缩试验结果，采用FLAC3D 建立与试样同等规模的数值模型，用其内置的Ubiquitous-Joint 模型和Subiquitous 模型进行分析计算，并与3DEC 的模拟结果作比较.2.1 三轴压缩试验模拟中的比较2.1.1 块体离散元方法和Ubiquitous-Joint 模型为了研究层状岩体的强度和变形特性，参考页岩［22］的三轴压缩试验数据（如图4所示），使用3DEC 建立了直径50 mm 、高100 mm 的标准圆柱体模型. 层理倾角分别设置为0°、15°、30°、45°、60°、75°和图2 Ubiquitous-Joint 模型三轴抗压强度值与Jaeger 解析解的比较Fig.2 Comparison of triaxial compressive strengthvalues-Ubiquitous-Joint model versus analytical solution （a ）层状砂岩［23］（b ）层状页岩［22， 24］（c ）层状片岩［21］图3 层状岩体三轴压缩强度随倾角变化特性Fig.3 Variation of triaxial compressive strengthof layered rock mass with bedding angle133湖南大学学报（自然科学版）2023 年90°，层厚5 mm ，岩体参数标定结果见表1. 同时基于Ubiquitous-Joint 本构模型建立了类似的FLAC3D 模型，将表1中的岩体参数直接用作模型中岩石基质和节理的参数输入，3DEC 模型和Ubiquitous-Joint 模型的强度响应如图4所示.正如预期，离散元模型随着β角的增大而遵循连续变化的强度曲线. 其与室内试验不同倾角下的峰值强度相对误差小于8%，结果基本吻合. Ubiquitous-Joint 模型在β角小于15°时其强度不受节理的影响，与室内试验结果相差超过20%，这种“U ”形强度曲线上的肩部清楚地表明了模型的局限性.提取较为典型的层理倾角为60°时岩石破坏模式的试验结果与模拟结果，如图5所示.可知此时岩石表现为沿层理面的滑移破坏，其中从离散元模型结果可以看到层理面的错动，与试验结果一致. 而Ubiquitous-Joint 模型显示大量的节理剪切破坏，但无法得知具体的破裂面位置和破裂形态.图6表示了不同倾角下离散元模型和Ubiquitous-Joint 模型的弹性模量和应力-应变曲线.由图6可知，Ubiquitous-Joint 模型没有体现出峰后的应变软化行为. 当直接在模型中采用3DEC 岩石块体的刚度参数时，所得到的弹性模量明显高于3DEC 的模拟结果，这是Ubiquitous-Joint 模型未考虑节理刚度和节理间距导致的，在实际工程中要特别注意这一点.（a ）弹性模量变化曲线（b ）应力-应变曲线（0°~45°）（c ）应力-应变曲线（60°~90°）图6 两种模型的弹性模量和应力-应变曲线Fig.6 Elastic modulus and stress-strain curve of discontinuumand Ubiquitous-Joint model图4 离散元和Ubiquitous-Joint 模型强度各向异性曲线Fig.4 Anisotropic strength curves of discontinuum andUbiquitous-Joint model表1 岩石和节理力学参数Tab.1 Rock and joint mechanical properties层间结构面黏聚力/MPa22（°）19（GPa•m -1）20（GPa•m -1）10 （a ）试验结果 （b ）3DEC 模型 （c ）UB-Joint 模型图5 层理倾角60°时岩石破坏模式Fig.5 Failure mode of rock with bedding angle of 60°134第 9 期黄娟等：遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究因此，建议不要将3DEC 中的岩石块体和节理参数直接用作Ubiquitous-Joint 模型的参数，为使其产生有意义的结果，需要对岩石基质和节理参数进行校准，以匹配离散元模型的结果. 以下将对此进行探讨.2.1.2 考虑应变软化的Subiquitous 模型参数校准与Ubiquitous-Joint 模型相比，Subiquitous 模型在校准岩石基质和节理参数方面提供了更大的灵活性. 通过双线性软化关系，可以更好地表示层状岩体的强度和变形特性. 其参数校准准则如下［18］：1）将离散元模拟结果视为实际层状岩体的各向异性行为.2）节理黏聚力和内摩擦角的初始值不变，岩体达到峰值后，节理黏聚力与岩体基质黏聚力以相同的速率软化至0.3）校准岩石基质的强度和变形响应，以补偿节理刚度和节理间距参数的缺失.β在0°和90°的情况下，试样的峰值强度取决于岩石基质的黏聚力和内摩擦角，这些参数对应于β=0°时的离散元模型的强度响应进行校准. 岩体基质和节理黏聚力的软化速率参考离散元模型的结果.在整个校准过程中，强度和刚度参数以及试样的破坏过程都得以考虑. 比较离散元模型和Subiqui‑tous 模型的破坏模式，将其分为劈裂张拉破坏（β为90°时）、剪切滑移破坏（β为60°时）和复合破坏（β为30°时）. 通过监测加载过程中基质的屈服和节理的滑移剪切，可以揭示试样的破坏机制.前文中的三轴压缩数值试验已用Subiquitous 模型重建，采用经过校准的参数，具体取值见表2.离散元模型和Subiquitous 模型的各向异性“U ”形曲线如图7所示，并与开始的Ubiquitous-Joint 模型的结果进行了比较. 经过校准后的Subiquitous 模型随着β角的增大同样遵循连续变化的强度曲线，与离散元模型的结果更加贴切.图8显示了Subiqui‑表2 校准的Subiquitous 模型力学参数Tab.2 Calibrated mechanical properties of Subiquitousmodel弹性模量/GPa 32泊松比0.25黏聚力/MPa 47.5内摩擦角/（°）29节理黏聚力/MPa 22节理内摩擦角/（°）19图7 离散元和Subiquitous 模型强度各向异性曲线Fig.7 Anisotropic strength curves of discontinuumand Subiquitous model（a ）弹性模量变化曲线（b ）应力-应变曲线（0°~45°）（c ）应力-应变曲线（60°~90°）图8 弹性模量变化曲线及不同角度下的应力-应变曲线Fig.8 Elastic modulus and stress-strain response ofdiscontinuum and Subiquitous model135湖南大学学报（自然科学版）2023 年tous模型在不同层理倾角下的应力-应变曲线和弹性模量的变化，都与离散元模型更紧密地匹配.2.2 二维圆形隧道开挖分析为了验证2.1节中开发的校准后的Subiquitous模型在工程中的应用效果，建立了一个圆形隧道模型，研究隧道开挖后的力学响应，该模型是在不考虑重力加速度的各向同性应力场中模拟的. 为了比较模拟效果，建立了岩层厚度0.5 m的3DEC模型和等效的Ubiquitous-Joint模型. 模型参数取值见表3和表4. 图9比较了隧道开挖完成时每个模型的塑性区、位移和最大主应力.3DEC模型中显示隧道侧壁中有少量岩石块体的拉伸破坏，层理的剪切滑移破坏主要在洞顶和底部沿垂直层理方向延伸约2 m. 位移场分布明显受到了层理的影响，最大位移约为20 mm. 图10显示的是3DEC模型放大20倍的变形状况，在隧道顶部和底表3 模型材料参数Tab.3 Details of model material层间岩体层间结构面弹性模量/GPa2.69黏聚力/MPa0.08泊松比0.28内摩擦角/（°）20黏聚力/MPa1.64法向刚度/（GPa•m-1）3内摩擦角/（°）45.5剪切刚度/（GPa•m-1）1.15表4 校准的Subiquitous模型力学参数Tab.4 Calibrated mechanical propertiesof Subiquitous model弹性模量/GPa1.8泊松比0.34黏聚力/MPa1.5内摩擦角/（°）47节理黏聚力/MPa0.08节理内摩擦角/（°）20图9 5 m直径的圆形隧道开挖后的塑性区、位移和最大主应力Fig.9 Plastic zones， displacement and major principal stress around 5 m-diameter tunnel136第 9 期黄娟等：遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究部可以清楚地看到岩层的弯曲.Ubiquitous-Joint 模型（直接对岩石基质和节理赋予和3DEC 中块体和节理相同的参数）中没有显示出基质的屈服破坏，而主要为节理的滑移和拉伸破坏，在隧道顶部和底部延伸约4 m ，模型的最大位移明显小于3DEC 模型. 节理拉伸破坏导致区域周围出现显著的应力重分布，其破坏机制是因为遍布节理模型的公式中没有考虑岩层的弯曲刚度. 经过校准的Subiquitous 模型的隧道侧壁上也有少量的基质拉伸破坏，使得隧道周围出现更具有代表性的应力重分布，其位移场也更接近3DEC 模型.3 工程验证为了更好地研究Subiquitous 模型在实际工程中的使用性能，以新华山隧道为例，探讨隧道开挖以及在支护结构作用下围岩的变形和破坏特性，并通过现场实测数据验证模型的可靠性.3.1 工程概况和工程地质新华山隧道位于湖南省张家界市和湖南省湘西州永顺县境内. 该隧道为单洞双线隧道，起止里程为DK26+104.00-DK32+034.49，全长5 930.49 m ，最大埋深约为383 m ，开挖高度和宽度分别为12.64 m 和14.96 m.新华山隧道所处地貌为剥蚀低山地貌，地势较起伏，山坡自然坡度一般为30°～70°. 隧道穿越地层受区域构造影响严重，节理裂隙发育、岩体破碎. 本文以新华山隧道进口段DK26+490断面附近为研究对象. 根据前期地质勘查资料，新华山隧道围岩主要为层状特征较明显的炭质页岩，由于其所具有的各向异性和开挖后风化较快等特殊工程特性，使得隧道的开挖引起软弱围岩向洞内发生不均匀对称的变形.3.2 模型建立根据纵断面图可以发现，所模拟区段的埋深约110 m ，运用FLAC3D 建立如图11所示模型.为降低模型中的单元数量，仅在模型中创建部分上覆岩体，并通过在地层上表面施加荷载模拟其余上覆岩体的自重应力. 设定模型x 、y 、z 三个方向上的尺寸分别为100 m 、50 m 和100 m ，采用位移边界条件，除上表面外，其余5个边界面约束法向位移. 模型中，岩体层理倾角采用现场调查得到的层理倾角，即为75°. 隧道采用三台阶法开挖，模拟区段并未施做二次衬砌，故模型中支护体系仅包括锚杆和初期支护，相关力学计算参数根据支护设计方案确定（见表5）. 采用3DEC 建立同等规模的模型，根据现场测试以及《铁路隧道设计规范》（TB 10003―2016）取得如表6所示参数. 其中节理刚度参数参考文献［25］，并执行2.1节的校准程序取得Subiquitous 模型的参数，如表7所示.图10 3DEC 中显示的岩层弯曲变形（放大20倍）Fig.10 Bending deformation of bedding rock sown in 3DEC（magnified 20 times）图11 数值模型及细部构造（单位：m ）Fig.11 Numerical model and detailed construction （unit ： m ）表5 支护结构计算参数Tab.5 Parameters for the support system锚杆初衬截面积/mm 2153厚度/cm 28弹性模量/GPa 200密度/（kg•m -3）2 400砂浆刚度/MPa 50弹性模量/GPa 28砂浆黏聚力/kPa 400泊松比0.2砂浆摩擦角/（°）60137湖南大学学报（自然科学版）2023 年3.3 数值模拟结果与分析根据上述参数和模型，计算得到隧道中部横截面处（Y=25 m）开挖并施加初期支护后的围岩变形和块体塑性区以及节理塑性区情况如图12所示，从中可以看出：1）两种模拟方法的围岩变形和塑性区响应非常接近，说明经过校准后的Subiquitous模型能够较好地体现层状岩体的力学特性.2）隧道开挖完成后实测拱顶沉降和水平收敛分别为259.9 mm和173.5 mm，而3DEC中拱顶沉降和水平收敛分别为243.9 mm和160.2 mm，与实测值的差异分别为-5.4%和-7.6%，FLAC3D中分别为282.5 mm和189.2 mm，与实测值的差异分别为8.7%和9.0%，差异性较小，表明建立的模型能够较好地反映新华山隧道开挖及初期支护后的变形情况. 3）受层理的影响，拱顶和拱底都朝着层理倾角方向产生位移梯度，围岩位移场呈现出显著的不对称性，这也与现场观察到的非对称变形情况相符合. FLAC3D中边墙附近围岩位移比3DEC稍大，是因为Subiquitous模型无法表示完整岩层的屈曲变形，而岩层的厚度对围岩位移有重要影响.4）隧道开挖扰动作用下，围岩产生了节理剪切破坏、节理张拉破坏、岩石基质剪切破坏和岩石基质张拉破坏4种类型的破坏，主要处于节理和基质的剪切破坏状态，且大部分围岩体同时出现了多种破坏模式. 围岩塑性区分布也显示为极不对称性，围岩深部的塑性区主要集中在左拱脚和右拱肩. 3DEC中少量的节理张拉破坏沿洞周分布，FLAC3D中节理张拉破坏更少，这也与Subiquitous模型无法解释岩层间距有关. 基质的张拉破坏只出现在隧道底部，拱顶的塑性区范围都很小.图13给出了3DEC和FLAC3D模型（与实际掘进过程一致）Y=25 m断面处的拱顶沉降监测曲线与现场监测数据的比较，可以发现，3DEC与实测数据更为接近，而FLAC3D中采用Subiquitous模型的计算结果也能较好地吻合.综合以上分析，校准的Subiq‑uitous模型在工程中有较好的实用性，能为相应工程表6 岩石和层理面力学参数Tab.6 Rock and bedding plane mechanical properties层间岩体层理面弹性模量/MPa250黏聚力/kPa60泊松比0.37内摩擦角/（°）15黏聚力/kPa150法向刚度/（GPa•m-1）1内摩擦角/（°）23剪切刚度/（GPa•m-1）0.5表 7 校准的Subiquitous模型力学参数Tab.7 Calibrated mechanical propertiesof Subiquitous model弹性模量/MPa190泊松比0.40黏聚力/kPa140内摩擦角/（°）25节理黏聚力/kPa60节理内摩擦角/（°）15图12 离散元和校准的Subiquitous模型位移和塑性区对比Fig.12 Comparison of displacement and plastic zones of discontinuum and calibrated Subiquitous model138第 9 期黄娟等：遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究提供参考，且层理的存在对围岩的变形和破坏有重要影响. 此外，就计算效率而言，两者计算时长相差30~40倍.3.4 层理倾角对隧道开挖的影响当隧道施工穿越炭质页岩地层时，围岩和支护结构的变形很可能因围岩层理倾角的变化产生显性差异. 为分析层理倾角对围岩和支护结构变形的影响，用FLAC3D 依次建立层理倾角为0°、30°、45°、60°和90°等5种工况的仿真模型. 采用校准的Subiquitous 模型，除倾角外其余参数保持不变. 计算得到岩体围岩和支护结构的变形以及围岩塑性区分布，如图14所示，提取各个角度下拱顶的沉降得图15所示曲线. 由图14、图15可知：1）围岩和支护结构的变形显著受到层理倾角的影响. 层理倾角从0°到90°变化过程中，初期支护拱顶沉降呈现出倒“V ”形变化，即先增大后减小，45°时达到最大值. 位移场分布随着倾角改变，只有0°和90°时存在对称性.2）隧道开挖引起的塑性区形状和范围与层理倾角密切相关. 0°时塑性区范围最小，当层理倾角小于30°时，围岩深部塑性区沿垂直于层理方向发展；而当倾角为75°~90°时，深部塑性区主要沿层理方向发展；层理倾角为45°~60°时，塑性区呈现出“X ”形状，且范围较大，与前文所述岩体在45°~60°时强度较低相对应，表明该倾角范围内易使隧道围岩产生破坏.4 结论本文通过对比分析遍布节理模型与离散元模型在层状岩体三轴压缩以及层状围岩隧道开挖应用中的模拟效果，探讨采用等效参数的遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性，得出以下结论：1）离散元模型能够更好地体现层状岩体的变形图13 实测和模拟的拱顶沉降（Y =25 m ）Fig.13 Measured and simulated vault settlement （Y =25 m）图14 不同层理倾角下围岩变形和塑性区Fig.14 Deformation and plastic zone of adjacent rock mass at various bedding angles拱顶沉降/m m层理倾角/(°)图15 拱顶沉降随层理倾角的变化Fig.15 Vault settlement varies with bedding angles139湖南大学学报（自然科学版）2023 年和破坏特性，但若考虑计算效率，更适合于描述中小尺度层状岩体力学性质；而遍布节理模型由于其本身对节理裂隙考虑的不足，在模拟层状岩体时，需要对部分参数（弹性模量、泊松比以及岩石基质的黏聚力和内摩擦角）进行修正才能用于工程分析，且更适用于大尺度工程岩体的力学行为研究.2）对于新华山隧道工程而言，两种模型在网格单元划分接近的情况下，计算效率相差30~40倍，而校准的遍布节理模型得到的围岩位移与实测结果分别相差8.7%和9.0%，差异性较小，表明该模型兼顾效率的情况下准确度良好.3）层理弱面的抗剪强度和抗拉强度较低，故层状岩体在工程扰动的情况下，容易造成层理剪切滑移破坏以及张拉破坏，在工程中要重点关注.参考文献［1］GAO M，LIANG Z Z，JIA S P，et al．An equivalent anchoring method for anisotropic rock masses in underground tunnelling［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2019，85：294-306．［2］CHEN Z Q，HE C，XU G W，et al．A case study on the asymmetric deformation characteristics and mechanical behaviorof deep-buried tunnel in phyllite［J］．Rock Mechanics and RockEngineering，2019，52（11）：4527-4545．［3］王培涛，杨天鸿，于庆磊，等．含层理构造黑云变粒岩单轴压缩试验及数值模拟［J］．东北大学学报（自然科学版），2015，36（11）：1633-1637．WANG P T，YANG T H，YU Q L，et al．Uniaxial compression testand numerical simulation of stratified biotite granulite［J］．Journal of Northeastern University （Natural Science），2015，36（11）：1633-1637．（in Chinese）［4］SINGH M，SINGH B．High lateral strain ratio in jointed rock masses［J］．Engineering Geology，2008，98（3/4）：75-85．［5］刘爱华，董蕾，董陇军．节理岩体强度参数的数值模拟及工程应用［J］．中南大学学报（自然科学版），2011，42（1）：177-183．LIU A H，DONG L，DONG L J．Numerical simulation andengineering application of strength parameters of jointed rock mass［J］．Journal of Central South University （Science andTechnology），2011，42（1）：177-183．（in Chinese）［6］DO N A，DIAS D，DINH V D，et al．Behavior of noncircular tunnels excavated in stratified rock masses - Case of undergroundcoal mines［J］．Journal of Rock Mechanics and GeotechnicalEngineering，2019，11（1）：99-110．［7］赵勐，肖明，陈俊涛，等．地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析［J］．湖南大学学报（自然科学版），2021，48（5）：129-139．ZHAO M，XIAO M，CHEN J T，et al．Analysis on contactresponse of tunnel in layered rock mass subjected to obliquelyincidence earthquake［J］．Journal of Hunan University （NaturalSciences），2021，48（5）：129-139．（in Chinese）［8］左双英，叶明亮，唐晓玲，等．层状岩体地下洞室破坏模式数值模型及验证［J］．岩土力学，2013，34（S1）：458-465．ZUO S Y，YE M L，TANG X L，et al．Numerical model andvalidation of failure mode for underground Caverns in layered rockmass［J］．Rock and Soil Mechanics，2013，34（S1）：458-465．（inChinese）［9］SUN X M，ZHAO C W，ZHANG Y，et al．Physical model test and numerical simulation on the failure mechanism of the roadway inlayered soft rocks［J］．International Journal of Mining Scienceand Technology，2021，31（2）：291-302．［10］DENG P H，LIU Q S，HUANG X，et al．FDEM numerical modeling of failure mechanisms of anisotropic rock masses arounddeep tunnels［J］. 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第六章 岩体的工程
• 2、剪切变形特征 • 在岩体中取一含结构面的岩块试 件，在剪力仪上进行剪切试验， 可得到结构面剪应力τ与结构面剪 切位移△u的关系曲线。试验研究 表明，结构面的剪切变形有如下 特征。 • 1、结构面的剪切变形曲线均为非 线性曲线 ，可为脆性变形和塑性 变形两类曲线 。 • 2、塑性变形曲线：特点是无明显 的峰值强度和应力降，且峰值强 度与残余强度相差很小，曲线的 斜率是连续变化的，且具流变性。 脆性变形曲线：特点是开始时剪 切变形随应力增加缓慢，曲线较 陡。峰值后剪切变形增加较快， 有明显的峰值强度和应力降。当 应力降至一定值后趋于稳定，残 余强度明显低于峰值强度。
d
（四)结构面的形态
• 4）结构面形态：
• ①要素：起伏形态、起伏角、粗糙度。 • ②对岩体的力学性质和剪切强度有影响。 • ③起伏角:i=arctan(2δ/L)
结构面的粗糙度
• 结构面的粗糙度可用 粗糙度系数 JRC表示。 • 粗糙程度可将粗糙度 系数(JRC)分为如图 6—5所示的10级 。
• 影响岩体的力学性质的主要因素： • 组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育 特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤 其是天然应力及地下水条件。 • 本节内容将主要介绍岩体的变形与强度性 质
一、岩体的力学性质
• （一）结构面的变形特性 • 1、法向变形特征
• 试验方法
• 分别对这两种试件施加连续法向压应力， 可得到（P76）如图6—6所示的应力—变形 关系曲线。 • ΔVj=ΔVt—ΔVr
(—)结构面的剪切强度
• 由于结构面的特征不同，结构面抗剪强度 曲线有以下几种形式： • 1．平直光滑无充填结构面的剪切强度 • 其剪切强度接近于人工磨光面的摩擦强 度．即 τ=σtanφi • 天然平直光滑结构面仍具有细微的起伏和 凹凸，剪切强度仍由内聚力(c)和摩擦力组 成。 υ一般20—40，C在0—0.1MPa。
岩石体的孔隙结构特性与渗流力学行为研究
岩石体的孔隙结构特性与渗流力学行为研究岩石是地壳中最基本的构成单位，其孔隙结构特性对于岩石的渗流力学行为具有重要影响。
本文将探讨岩石体孔隙结构特性的研究方法以及孔隙结构对渗流力学行为的影响。
一、岩石体孔隙结构特性的研究方法1. 普通显微镜观察法普通显微镜观察法是对岩石进行薄片制备后，在普通显微镜下观察孔隙结构特征。
通过观察岩石中的孔隙、裂隙等特征，可以初步判断孔隙的大小、形态等特性。
2. 扫描电镜观察法扫描电镜观察法可以进一步细致地观察岩石中的孔隙结构特征。
通过扫描电镜下的高分辨率图像，可以获取孔隙的形态、分布情况等详细信息。
3. 压汞法压汞法是一种常用的测定岩石孔隙度和孔隙尺寸分布的方法。
通过在高压下将汞注入岩石孔隙中，测量压汞曲线，从而得到岩石的总孔隙度和孔隙尺寸分布。
二、孔隙结构对渗流力学行为的影响1. 孔隙度与渗透率的关系孔隙度是岩石内孔隙的体积占岩石总体积的比例。
孔隙度越大，渗透率就越高，岩石的渗流能力也就越强。
因此，孔隙度是影响岩石渗透性的重要因素之一。
2. 孔隙连通性对渗流的影响孔隙连通性是指岩石内孔隙之间是否相互连接的程度。
当孔隙连通性较好时，岩石的渗流路径就较为畅通，渗流速度也相对较快。
反之，如果孔隙连通性较差，则会阻碍渗流的传导。
3. 孔隙尺寸分布特征对渗流行为的影响孔隙尺寸分布特征对于岩石的渗流行为具有重要作用。
孔隙尺寸较大的岩石更容易渗流，而孔隙尺寸较小的岩石则渗透性相对较差。
此外，孔隙尺寸分布的均匀性也会影响渗流行为的均一性。
4. 孔隙形态对渗流性质的影响孔隙的形态对于岩石的渗流性质也有一定影响。
例如，球状孔隙比裂隙状孔隙更容易渗流。
此外，孔隙的连通性与形态之间也存在一定的关系，不同形态的孔隙在渗流传递中的效果也不尽相同。
三、岩石体孔隙结构特性与渗流力学行为的综合分析通过对岩石体孔隙结构特性及其对渗流力学行为的影响进行研究，可以更加全面地认识岩石的渗流性质。
岩石的孔隙结构特性是确定其渗透性和渗流行为的重要因素，合理分析和利用孔隙结构特性对于岩石工程设计和地下水资源开发具有重要意义。
[整理版]浅析岩体结构面成因及分类
![[整理版]浅析岩体结构面成因及分类](https://img.taocdn.com/s3/m/272273c481eb6294dd88d0d233d4b14e85243e16.png)
浅析岩体结构面成因及分类摘要：近几年，自然灾害在我国频繁发生，岩体失稳严重威胁人类的生命财产安全。
首先，岩体失稳具有不可预测性，与滑坡不同，失稳前没有明显的变形迹象；其次，由于岩体内部结构面的复杂性，肉眼未能预测可能失稳的岩块体规模。
因此，为防治岩体对人类造成不必要的伤害，岩体结构的研究成为最重要的课题。
关键词：岩体结构面原生结构面次生结构面岩浆岩沉积岩变质岩劈理节理断层岩体是指在漫长的地质历史过程中，各种造岩矿物经成岩作用、构造作用、以及后来的天然或人工改造作用，逐渐形成了目前我们工程建设中所必须面对的各式岩体。
岩体中的结构面总体可划分为两类：一类为原生结构面，是在成岩过程中形成的；另一类为次生结构面，是在后期的构造作用及次生改造作用中形成的。
本章主要从系统工程地质学的角度，对岩体中的结构面进行宏观分析，并大致分析各类结构面的形态特征。
1原生结构面原生结构面是指在岩石成岩过程中形成的结构面。
不同成因的岩石，其内原生结构面形态、特征差异较大。
岩石按成因可划分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类，下面分别论述各类岩石中原生结构面的成因、形态、力学特性。
1.1岩浆岩中的原生结构面岩浆岩是由岩浆冷凝固结而形成的岩石。
存在流线与流面构造。
流线构造是指在成岩过程中，岩浆中的柱状矿物、长形俘虏体、析离体等的长轴方向呈定向排列；流线的延长方向反映了岩浆的流动方向。
流面构造是指岩浆岩中的片状矿物、扁平俘虏体、析离体等呈平行排列；流面一般平行于岩体的接触面。
流线、流面的形成，是由于岩浆流动时不同部位速度有差异所导致的。
岩浆岩中的流面类似于沉积岩中的层理，是岩浆岩中主要的原生结构面。
岩浆岩内也存在原生节理。
原生节理一般产生于岩浆岩成岩的最后阶段。
依据原生节理与流面的关系，可将岩浆岩中的原生节理划分为层节理、横节理和纵节理三类。
其中层节理又称为L节理，平行于流面方向，常较平滑，可有一些岩脉或矿脉充填；横节理又称为Q节理，与流线方向垂直，常直而长，节理面粗糙，多被岩脉或矿脉充填；纵节理又称为S节理，平行于流线，一般没有岩脉或矿脉充填。
基于钻孔摄影方法的岩体中结构面连通性分析
基于钻孔摄影方法的岩体中结构面连通性分析
郭强;葛修润;车爱兰
【期刊名称】《上海交通大学学报》
【年(卷),期】2011(45)5
【摘要】将钻孔摄影方法推广到多孔结构面连通中,从结构面产状、地质特征等角度提出了连通性判别依据,并运用龙江特大桥桥基摄像勘察结果检验了该方法的可行性.其中,选择了位于大桥一侧的3个钻孔,在对孔内的结构面地质特征、产状等参数进行分析和计算的基础上,根据结构面连通原理进行对比和筛查,共得到3组2孔连通结构面和2组3孔连通结构面.结果表明,所有可连通结构面产状相似、空间位置满足共面的要求,并且组成结构面的岩体及周围环境岩体特征相似.将基于钻孔摄影技术的结构面连通方法用于该工程中可行.
【总页数】5页(P733-737)
【关键词】钻孔摄影;结构面连通;相似度;工程验证
【作者】郭强;葛修润;车爱兰
【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院;上海交通大学海洋工程国家重点实验室;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU44
【相关文献】
1.基于超声波钻孔电视的深部岩体结构面特征研究 [J], 王锡勇;苏锐;陈亮;田霄
2.数字摄影测量采集岩体结构面信息的控制测量方法 [J], 胡瀚;王凤艳;王明常;卢立吉;李启源
3.基于摄影测量三维点云的岩体结构面自动识别方法 [J], 赵佳斌;章杨松;李晓昭
4.地下水封洞库深部岩体结构面连通性研究 [J], 季惠彬;宋琨;吕坤
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岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究
岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究◎符其山陈辉刘诗桐一、岩体构成及其强度影响因素天然存在的岩体经过多次的地质作用，岩体遭受变形和破坏，形成一定的成分和结构。
岩体内部又有着各式各样的地质界面，它包括物质分异面和不连续面，例如：假整合、不整合、褶皱和断层等。
由于它们形成的成因和特性不同，导致其物理性质也有所差异，我们把这些不同的地质界面统称为结构面（弱面）。
有的岩体通过被结构面切割形成岩块，又被称为结构体。
结构体（岩块）是岩体基本组成部分。
岩石就是由结构面和结构体（岩块）共同组成的。
结构面对岩体的力学性质起着非常关键的控制作用，由于结构面影响着岩体的力学性质以及连续性，大自然中各种自然灾害与结构面有关。
例如：山体崩塌、滑坡、岩爆等。
开展结构面的力学性质研究是评价岩体稳定性的重要因素。
山体的滑坡以及岩爆对人们的生产和生活存在这非常重大的影响，而发生诸多事故的影响因素主要为岩体结构面对岩体强度的影响，所以研究岩石结构面的抗剪切强度以及抗拉强度存在着重要的意义。
在工程中，岩体结构面的破坏主要为剪切破坏，而结构面的抗拉强度几乎可以被忽略，故研究岩体结构面的抗剪特性具有重大意义。
而岩石结构面剪切强度的影响因素也有很多，例如：JRC（岩石结构面粗糙度）、JCS（壁面强度）、法向应力以及结构面充填物等影响因素，而其中较为关键的JRC（结构面的粗糙度），其具有许多性质，二、国内外对岩石结构面剪切强度的研究现状早在1966年国外学者Bardon就提出齿状节理直剪实验，1977年又提出JRC 的概念，归纳了十条标准JRC曲线，从而建立了岩石剪切强度与粗糙度之间的关系。
在此模型基础上，B.I ndraratna在不同法向正应力下，对规则结构面岩体进行直剪实验，证明了法向应力与抗剪切强度的关系。
G.G rasselli（2003）为了力求更真实的结构面粗糙度，通过3D扫描、研究采样方向、采样精度、采样尺寸等评价结果的影响，提出了三维岩体结构面粗糙度评价方法。