蔣中明，伍東衛(wèi)，趙海斌，馮樹榮

（1．長沙理工大學a．水利學院；b．土木與建筑學院；c．水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，長沙 410004；2．中南勘測設計研究院水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，長沙 410014）

復雜裂隙巖體力學特性的數值試驗研究

蔣中明1a，1c，伍東衛(wèi)1b，趙海斌2，馮樹榮2

（1．長沙理工大學a．水利學院；b．土木與建筑學院；c．水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，長沙 410004；2．中南勘測設計研究院水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，長沙 410014）

復雜結構面的模擬方法是裂隙巖體數值試驗的關鍵技術之一。首先，利用ANSYS軟件前處理功能和FLAC3D軟件靈活的接觸面生成功能，探索復雜裂隙巖體數值模型的構建方法；其次，利用數值試驗方法對多結構面層狀及柱狀巖體的力學性質進行了單軸壓縮研究，揭示了復雜層狀及柱狀巖體彈性模量及抗壓強度的結構面傾角效應和尺寸效應，以及復雜巖體應力應變關系存在的差異性。數值試驗結果表明，相同受力條件下結構面傾角的大小對裂隙巖體的變形特性有一定的影響，層狀巖體或柱狀巖體的單軸抗壓強度及彈性模量會隨試件尺寸的增大而變小并逐步趨向穩(wěn)定。

裂隙巖體；數值試驗；尺寸效應；結構面建模方法

1 研究背景

巖體在地質構造運動作用下，往往會形成規(guī)模不等、產狀各異的節(jié)理或裂隙面［1］。這些結構面的存在，嚴重破壞了巖體的連續(xù)性和完整性，極大地弱化了巖體的力學性質和強度變形特征，給工程安全穩(wěn)定帶來隱患。為了全面認識復雜裂隙巖體的工程力學性質，國內外許多學者通過室內試驗和現場原位試驗，對復雜裂隙巖體的強度和變形特征進行了分析，研究了裂隙擴展、相互作用等對巖體強度和變形特性影響的基本規(guī)律［2－4］，提出了裂隙巖體強度及變形參數的取值方法［5－6］。目前，研究復雜裂隙巖體力學性質的方法大致有3種，即現場原位試驗、室內試驗、室內試驗與數值計算相結合。通過原位試驗研究復雜裂隙巖體的力學性質，所需原位巖體試件尺寸可能會有十余米或數米，這在大多情況下是不現實的，而且代價昂貴、條件困難。由于有代表性的巖體取樣加工成試件比較困難，加上室內試驗試件尺寸一般較小，因此將室內試驗得到的試驗成果進行延伸來推測一般情況下節(jié)理巖體的力學性質也存在較大的局限性。

近年來，國內外許多專家利用有限元、有限差分、離散元、邊界元等數值計算方法對小尺寸或結構面分布較為簡單的裂隙巖體力學參數、變形特性、強度取值、巖體REV等方面進行了研究［7－10］。但其研究成果的實用性有限，有些局限于小尺寸試件，有些僅進行二維平面變形研究等等。在實際工程中，裂隙規(guī)模大、分布復雜的巖體，要通過數值模擬的分析方法進行力學特性和強度變形特征的研究，就會存在著諸多問題。如：①單元數目過多而導致計算時間過長；②裂隙規(guī)模大小不一、分布復雜而難以模擬。

本文介紹了利用ANSYS軟件進行前處理并結合FLAC3D軟件靈活的接觸面生成方法建立復雜裂隙巖體數學模型的全過程。運用此方法，通過對大量不同傾角、不同尺寸的層狀巖體進行單軸壓縮數值試驗，得到了層狀巖體抗壓強度及彈性模量受結構面傾角、試件尺寸影響的基本規(guī)律，并與已有的研究成果進行了對比，論證本文研究成果的正確性。

2 復雜結構面模型生成方法

目前，無論是商業(yè)軟件還是自編程序，都不能方便、快速地對包含多組且任意相交的結構面巖體進行有效地建模。為此，本文提出將ANSYS軟件強大的前處理模塊功能和FLAC3D結構面生成方法結合起來，完成含復雜結構面的巖體數值分析的建模方法，步驟如下：

（1）在ANSYS中生成不包括結構面的數值分析幾何模型；

（2）利用APDL語言，通過循環(huán)語句，按照結構面的空間幾何信息，通過變換工作面的位置，將完整幾何模型進行分割，形成包含結構面信息的幾何體；

（3）利用APDL語言，對切割后的復雜幾何體進行材料自動分組；

（4）選擇合適的單元類型對切割后的復雜幾何體進行單元劃分；

（5）將ANSYS生成的幾何模型信息進行轉換，形成FLAC3D軟件所需的數值模型；

（6）利用FLAC3D中的FISH語言，將結構面上的節(jié)點進行分離處理，即在結構面的同一位置生成2個不同編號的節(jié)點；

（7）利用FISH語言中的循環(huán)語句，在不同分組單元之間完成任意復雜結構面的生成；

（8）利用FLAC3D中merge命令，將非結構面位置的分離節(jié)點進行合并，即可得到非貫穿性結構面。

按照上述步驟，構建2組正交結構面，貫穿、非貫穿結構面相對位置分別如圖1所示。

圖1 數值試驗試件中的結構面Fig．1 Structural p lanes in the specim en for numerical test

3 層狀巖體單軸壓縮數值試驗研究

在實際工程中，通常采用室內試驗和現場試驗來研究巖體的強度和變形特性。單軸壓縮試驗作為室內試驗的重要部分，所得到的單軸抗壓強度和彈性模量是巖石力學性質的重要參數。對于含多組及數量較多的巖體而言，室內試驗受到試件制作等的影響，完全采用室內物理模型試驗方法來研究結構面對巖體的力學性能的影響，存在很大的局限性。為此，下面采用本文提出的復雜巖體結構面生成方法，通過數值方法來研究層狀巖體單軸抗壓強度、彈性模量的尺寸效應和傾角效應等，以說明數值試驗方法對包含復雜結構面的巖體性能研究的可行性。

3．1 數值試驗模型

選取結構面傾角為0°，45°，90°的層狀巖體試件進行單軸壓縮數值試驗。試件力學模型采用經典的摩爾庫倫模型。根據單軸壓縮試驗原理，數值試驗模擬軸向位移控制式加載過程。試件模型采用立方體，邊長尺寸依次取1，2，4，8 m，結構面間距取0．5 m。運用本文建議的數模構建方法，構建的傾角45°、試件邊長4 m的數值模型和結構面分布形態(tài)，如圖2所示，其他尺寸與傾角的試件模型不再贅述。試件中結構面分布形態(tài)由結構面間距、結構面傾角、尺寸大小控制。數值計算參數的選取參照《工程巖體分級標準（GB 50218—94）》附錄C中巖體及結構面物理力學參數取值范圍，并結合淋溪河水電站壩址區(qū)巖石力學試驗結果，擬定了巖塊及結構面的力學參數，見表1、表2。

圖2 巖體試件數值模型（邊長為4 m，傾角為45°）Fig．2 M eshes of rock mass specimen（length＝4 m，dip angle＝45°）

表1 巖體力學參數Table 1 M echanical parameters of rock mass

表2 結構面力學參數Table 2 M echanical parameters of structural p lane

3．2 應力應變曲線分析

圖3為層狀巖體試件單軸壓縮數值試驗得到的應力應變曲線。由圖3可知，盡管數值試件尺寸不同，但各數值試件的應力應變關系曲線變化規(guī)律基本一致。隨著試件尺寸的加大，應力應變曲線趨于一致。此變化特征與安明［7］運用有限元數值試驗技術所得結果基本一致。

由圖3所示應力應變曲線可知，在其它條件相同、結構面傾角不同情況下，應力應變曲線總體特征相似，即當加載應變較小時，巖體應力應變關系表現為線彈性關系；隨著加載應變的增加，巖體應力應變關系呈現出非線性變化的特點。由于結構面分布不同，各類試件非線性變化特征各異。

圖3 巖體應力應變曲線Fig．3 Stress-strain curves of layered rock mass

結構面傾角為0°的巖體應力應變曲線可分為3個階段：彈性階段、塑性階段、破壞階段。

結構面傾角45°的巖體應力應變曲線沒有明顯的破壞階段。傾角45°結構面試件在數值試驗過程中因發(fā)生較大的剪切位移，應力應變曲線出現波動變化現象，這種現象可以理解為數值試件在試驗過程中不斷屈服，硬化的過程。

結構面傾角90°巖體應力應變曲線具有明顯的彈塑性特征，試件在前期加載應變較小時，巖體變形特性受結構面影響較小，在加載后期，試件呈現明顯的塑性變形，表明巖體受結構面影響較大。

3．3 抗壓強度及彈性模量分析

3．3．1 巖體單軸抗壓強度分析

表3為各類數值試件的巖體單軸抗壓強度。表3中不同類型試件單軸抗壓強度統計結果表明結構面傾角45°的層狀巖體單軸抗壓強度最小。此結論與何忠明［8］等利用相似材料制備的含不同傾角結構面的層狀巖體試件單軸壓縮試驗得到的結果相同。

表3 試件單軸抗壓強度統計Table 3 Uniaxial compressive strengths of the specimens MPa

表3還表明單軸抗壓強度隨試件尺寸的變化規(guī)律基本相同，即隨試件尺寸的增加單軸抗壓強度逐漸降低。但當試件尺寸增加到某一特征值后，巖體單軸抗壓強度值趨于穩(wěn)定，如圖4所示。該結果與周蓮君［9］運用實體單元模擬層狀巖體所得的不同傾角結構面狀況下圓柱形巖體試件抗壓強度尺寸效應也一致。向文飛［10］利用Monte-Carlo方法在數值試件中生成二維隨機裂隙，運用有限元法研究了單軸抗壓強度隨試件尺寸的變化特征，其結果與圖4曲線變化特征也基本一致。

圖4 單軸抗壓強度的尺寸效應Fig．4 Size effect on the uniaxial compressive strength

3．3．2 巖體彈性模量分析

表4為數值試件的彈性模量統計表。試件彈性模量隨尺寸的變化關系，如圖5所示。彈性模量總體上隨著傾角的加大而增大，但隨數值試件尺寸的增大而減小。結構面傾角不同情況下，巖體彈性模量隨試件尺寸變化的規(guī)律基本一致。

表4 試件彈性模量統計Table 4 Elastic m oduli of the specimens GPa

圖5 巖體彈性模量尺寸效應Fig．5 Size effect on elastic modulus of rock mass

4 柱狀巖體單軸壓縮數值試驗研究

為了進一步說明復雜巖體的力學特性的數值試驗方法，選擇具有更加復雜裂隙面構成的柱狀巖體進行單軸壓縮數值試驗，數值模型和結構面分布形態(tài)如圖6所示。

圖6 柱狀巖體試件數值模型（邊長4 m）Fig．6 M eshes of columnar rock mass specimen（length＝4 m）

在相同試驗條件下，分別對邊長為1，2，4，8 m的柱狀巖體試件進行單軸壓縮數值試驗，所得試件單軸抗壓強度與彈性模量如表5所示。

表5 柱狀巖體試件單軸壓縮試驗結果Table 5 Results of uniaxial com pressive test on specimens of columnar jointed rock mass

根據試驗數據，繪制各類試件應力應變曲線如圖7所示。圖7表明不同尺度柱狀巖體數值試件的應力應變關系曲線的變化規(guī)律基本相同：荷載較小時表現為彈性變形；荷載較大時，呈現出明顯的彈塑性變形特性。圖8為試件單軸抗壓強度和彈性模量隨試件尺寸變化而變化的關系圖。由圖可知，無論巖體中結構面分布如何變化，當巖體的尺度超過一定數值后，其強度和變形特性將趨于穩(wěn)定。

圖7 柱狀巖體試件應力應變關系Fig．7 Stress-strain curves of columnar jointed rock mass

5 結 語

本文研究了復雜裂隙分布狀況下巖體的數值模擬方法，并利用此方法進行了含不同傾角結構面的層狀巖體及柱狀巖體的單軸壓縮試驗，數值分析結果表明，巖體中結構面的傾角大小對裂隙巖體的應力應變特性有一定的影響。無論是層狀巖體還是柱狀節(jié)理巖體，當巖體的尺度超過一定數值后，其強度和變形特性將趨于穩(wěn)定。數值試驗成果的合理性證明了本文提出的復雜裂隙結構面的建模方法能較好地解決復雜裂隙巖體的數值建模困難的問題，為進一步應用數值仿真手段研究復雜裂隙巖體的力學性質提供了基礎。

圖8 柱狀巖體單軸抗壓強度、彈性模量尺寸效應Fig．8 Size effect on the uniaxial com pressive strength and elastic modulus of columnar rock m ass

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［10］向文飛．裂隙巖體表征單元體及力學特性尺寸效應研究［D］．武漢：武漢大學，2005．（XIANGWen-fei．Representative Elementary Volume of Fractured Rock Masses and the Size Effect of Mechanical Properties［D］．Wuhan：Wuhan University，2005．（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Numerical Test on Mechanical Behavior of Complicated Fractured Rock Mass

JIANG Zhong-ming1，3，WU Dong-wei2，ZHAO Hai-bin4，FENG Shu-rong4
（1．School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410004，China；2．School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410004，China；3．Key Laboratory ofWater-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410004，China；4．Hunan Provincial Key Laboratory of Key Technologies for Water Power Resource Utilization，Zhongnan Engineering Corporation，Changsha 410014，China）

Themodeling of complex structural planes in rock mass is a key technique in the numerical test of fractured rock mass．A numericalmodel for the structural planes in rock mass is established bymeans of the pre-processing of ANSYS software and the flexible interface generation of FLAC3Dsoftware．Themodel is employed to numerically simulate themechanical behaviors of layered and columnar rockmasseswith complex structural planes under uniaxial compression．The regularity of structural plane’s dip angle and specimen’s size respectively affecting the elasticmodulus and compression strength of layered and columnar rock mass is obtained．The relations between stress and strain of different rockmasses are different．The result also shows that under the same stress，the dip angle of structural plane has influence on the deformation behavior of fractured rock mass．The uniaxial compressive strength and elasticmodulus of layered and columnar rock mass decrease and then gradually stabilize with the increase of specimen size．

fractured rock mass；numerical test；size effect；numericalmodeling of structural plane simulation

TU443

A

1001－5485（2013）11－0072－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．014

2012－09－26；

2012－11－18

湖南省自然科學基金（12JJ3055）；中國水電顧問集團科技計劃項目（2010680）

蔣中明（1969－），男，重慶市人，教授，博士，主要從事水工結構及巖土工程研究工作，（電話）13975821515（電子信箱）zzmmjiang＠163．com。