周 勇

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

巖體各向異性是指巖體的性質(zhì)隨方向而異的特性。巖體的各向異性由巖石層理、片理、夾層或定向裂隙系統(tǒng)存在所致。多年來(lái)，巖體各向異性問(wèn)題為力學(xué)界和巖土工程界所關(guān)注，如何準(zhǔn)確描述巖體各向異性特性一直是巖土力學(xué)研究的難題。

許多研究者針對(duì)巖體各向異性進(jìn)行了各類理論和試驗(yàn)的深入研究工作。針對(duì)層狀巖體強(qiáng)度各向異性特征的試驗(yàn)研究規(guī)律，Jaeger[1-2]基于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則發(fā)展了單弱面強(qiáng)度理論，為研究固有不連續(xù)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響提供了有益的起點(diǎn)，Tien Y M[3]、Duveau G[4]等人對(duì)此進(jìn)行了有益的修正。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同的層狀巖體或節(jié)理巖體進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[5-10]。其中Hoek和Brown[8]通過(guò)對(duì)片頁(yè)巖、板巖和砂巖變角度的單軸、三軸室內(nèi)加載試驗(yàn)，獲得各類巖體在不同弱面加載角、不同圍巖下的強(qiáng)度各向異性特性試驗(yàn)曲線。劉勝利等[9]開展了武當(dāng)群綠泥石片巖長(zhǎng)方體試樣的單軸壓縮和圓盤試樣的間接拉伸試驗(yàn)，探討了試樣各向異性的力學(xué)特性和在不同受力狀態(tài)下的變形破裂特性，揭示了不同變形破裂的力學(xué)機(jī)制。張曉平等[10]通過(guò)丹巴二云英片巖單軸壓縮試驗(yàn)研究，得出片狀單軸壓縮條件下的裂紋擴(kuò)展過(guò)程存在顯著的各向異性，并研究了相應(yīng)的與片巖裂紋擴(kuò)展相關(guān)的應(yīng)力門檻值。張春生等[11]采用細(xì)觀顆粒離散元對(duì)石英云母片巖各向異性特征展開了多尺度精細(xì)化描述分析。這些理論和試驗(yàn)研究加深了對(duì)巖石各向異性特性的認(rèn)識(shí)，并在很大程度上指導(dǎo)了實(shí)際工程應(yīng)用。

筆者基于現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)成果，采用UDEC[12]方法，對(duì)丹巴石英云母片巖的各向異性問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，重點(diǎn)考察不同片理方向加載時(shí)巖體的強(qiáng)度和變形各向異性特征。之后針對(duì)CPD1探洞進(jìn)行開挖響應(yīng)模擬，旨在研究考慮巖體各向異性特征后隧洞圍巖的破壞機(jī)制，并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和工程現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，用以評(píng)價(jià)數(shù)值模擬方法的適宜性，為丹巴深埋軟巖工程的開挖和支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的基礎(chǔ)支撐。

1 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)

1.1 工程概況

丹巴水電站位于四川省丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流，電站裝機(jī)容量1 160 MW，廠壩之間采用長(zhǎng)約17.4 km的兩條長(zhǎng)引水隧洞連接，隧洞直徑約14～16 m。目前地質(zhì)資料顯示，引水隧洞尾端的Smx4-2地層為石英云母片巖夾少量云母石英片巖、薄層條帶狀長(zhǎng)英質(zhì)變粒巖，屬于軟巖，巖層總體產(chǎn)狀為N45°～60°W，NE∠45°～85°，其巖體力學(xué)強(qiáng)度較低，具有明顯各向異性特征。此段累計(jì)長(zhǎng)度約2.8 km，約占引水洞總長(zhǎng)的17%，分布于引水線路出口段、調(diào)壓井、壓力管道等樞紐部位，最大埋深達(dá)1 200 m。

工程面臨的深埋軟巖問(wèn)題十分突出，區(qū)域地應(yīng)力水平較高（實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值為17～30 MPa），大斷面軟巖隧洞、調(diào)壓室施工過(guò)程中均可能出現(xiàn)塑性大變形、流變及局部失穩(wěn)等現(xiàn)象，施工和支護(hù)將面臨較大困難，因此有必要對(duì)丹巴軟巖的巖體力學(xué)特性進(jìn)行深入分析研究。在工程前期開展大量的室內(nèi)物理力學(xué)性試驗(yàn)、巖體現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)等試驗(yàn)研究工作[13]，獲得的一致性結(jié)論為丹巴軟巖各向異性突出，因此在開展室內(nèi)、外各類巖石力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，均分別開展了與片理面呈不同夾角的加載試驗(yàn)研究工作。片理作為石英云母片巖中最普遍的結(jié)構(gòu)面，是導(dǎo)致片巖各向異性宏觀特征的主要原因，各類試驗(yàn)均表明，在不同片理方向加載時(shí)的巖體強(qiáng)度和變形模量均存在較大差異，這在實(shí)際工程中不容忽視。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)

為深入了解丹巴軟巖物理力學(xué)特性，在工程現(xiàn)場(chǎng)開展了軟巖現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)[14]。試驗(yàn)支洞選擇在CPD1平探洞樁號(hào)K0+540 m處，支洞方向與石英云母片巖片理走向近一致，共計(jì)13個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。坐標(biāo)系方向規(guī)定如下：x向?yàn)轫樒砻嫠椒较颍ㄖФ炊摧S向），y向?yàn)榻怪逼砻娣较颍ㄖФ炊磸较颍瑉向?yàn)榻叫衅砻娣较颍ㄣU直向）。試樣總體沿石英云母片巖片理面方向制備，但由于片理面不是完全直立，所以試樣與片理面之間有一定夾角（約10°）。試樣形態(tài)及總體布局如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)洞位置及試樣形態(tài)示意圖Fig.1 Sketch of tunnel and specimen in the triaxial test

首先，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體三軸試樣，開展了不同片理加載方向（因試樣條件限制，主要為垂直或平行片理面加載）、不同應(yīng)力水平下的變形試驗(yàn)，獲得了垂直或平行片理加載方向上未松弛巖體和松弛巖體的彈形模量。試驗(yàn)中，當(dāng)試樣有較高圍壓時(shí)，可以認(rèn)為試樣處于相對(duì)未松弛狀態(tài)，當(dāng)圍壓水平較低時(shí)，認(rèn)為試樣處于松弛狀態(tài)。表1中給出了分析整理后的綜合評(píng)定結(jié)果。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)彈性模量綜合評(píng)定值[14]Table 1 Elastic modulus in the field triaxial test

此后選取其中7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開展三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。此7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在完成變形試驗(yàn)之后，首先開展了卸載（小主應(yīng)力）破壞試驗(yàn)，用以研究完整巖體的強(qiáng)度特性。然后針對(duì)破壞試樣，分別開展了重復(fù)卸載或重復(fù)加載試驗(yàn)，用以研究松弛巖體的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多組試樣進(jìn)行加卸載三軸試驗(yàn)，獲得了各試件破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)曲線，包括圖2（a）各試件首次卸載試驗(yàn)的卸載破壞峰值強(qiáng)度點(diǎn)分布、圖2（b）單點(diǎn)重復(fù)卸載破壞峰值強(qiáng)度點(diǎn)分布。

將由最大、最小主應(yīng)力表征的強(qiáng)度點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，可得到未松弛巖體和松弛巖體的σ1-σ3關(guān)系式：

根據(jù)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，參照式（2），可計(jì)算得各個(gè)試樣卸載破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度參數(shù)，如表2所示。受現(xiàn)場(chǎng)工程環(huán)境和試驗(yàn)條件所限，未開展與片理面呈多角度的現(xiàn)場(chǎng)大型三軸加載試驗(yàn)，上述強(qiáng)度試驗(yàn)可認(rèn)為是平行于片理方向加載的強(qiáng)度參數(shù)。

式中：φ、c分別為完整巖體的內(nèi)摩擦角和黏聚力。

圖2 三軸卸載試驗(yàn)破壞強(qiáng)度及擬合曲線[14]Fig.2 Distributions and fitting curves of the collapse strength in the triaxial cyclic loading tests

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)巖體強(qiáng)度綜合評(píng)定值Table 2 Strength properties in the field triaxial test

2 各向異性數(shù)值模擬研究

2.1 UDEC簡(jiǎn)化模型與參數(shù)研究

基于UDEC程序的簡(jiǎn)化三（單）軸壓縮數(shù)值模型巖石數(shù)值加載試驗(yàn)方案如圖3所示，圍壓（σ3）平行于x方向施加于試件的左右邊界，同時(shí)在上邊界沿y軸負(fù)向施加恒定的速度Vy，以產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)力（σ1），使試件逐步受壓。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ停赨DEC模擬的模型尺寸為0.5 m×1 m，加載試件由完整巖體和分布于其中的一組等間距弱面（片理面）組成，圖3（b）給出了不同片理方向加載的三種典型方案。巖體和結(jié)構(gòu)面均服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。通過(guò)編制相應(yīng)的FISH命令，控制穩(wěn)定的加載速度，并監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化曲線，由此求得不同片理方向加載時(shí)相應(yīng)的等效變形模量和巖體強(qiáng)度。

圖3 簡(jiǎn)化的二維數(shù)值加載模型Fig.3 Simplified 2D numerical simulation loading model

式（3）和（4）分別給出了基于上述數(shù)值加載試驗(yàn)獲得的試樣泊松比和彈性模量求解表達(dá)式。式中Lx和Ly為模型尺寸，ux和uy分別為x、y方向上的變形量，νm和Em分別為巖體的泊松比和彈性模量。

通過(guò)反復(fù)試算，并與石英云母片巖的現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1和表2）進(jìn)行對(duì)比，反演參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果較吻合。反演的巖體、結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3和表4。需要指出，UDEC對(duì)石英云母片巖的模擬采用巖石基質(zhì)+片理的方式，因此表3中的巖石基質(zhì)參數(shù)與表1、表2中巖體參數(shù)不具備直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，巖石基質(zhì)+片理的綜合體的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果才能與表1和表2中的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

表3 巖石基質(zhì)參數(shù)反演值Table 3 Mechanical parameters of rock

2.2 丹巴石英云母片巖各向異性特征的數(shù)值分析

圖4為不同片理方向加載時(shí)的單軸壓縮試驗(yàn)軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可見(jiàn)不同片理方向加載時(shí)對(duì)應(yīng)的試件峰值強(qiáng)度存在較大的差異，體現(xiàn)了巖體強(qiáng)度的各向異性特點(diǎn)。當(dāng)加載方向與片理接近平行或呈大角度（50°～90°）相交時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度最大，達(dá)到15.6 MPa。當(dāng)加載方向與片理斜交（10°～40°）時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度減小，β=30°時(shí)達(dá)到最小值，約為5.5 MPa。

圖4 不同片理方向加載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain plots of uniaxial tests with different schistosity angle

由于單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中彈性段的斜率近似等于巖體的彈性模量，圖4中顯示了隨著β角的增大而含弱面試件的等效彈性模量有逐漸降低的趨勢(shì)，且總體下降幅度較大。圖5給出了單軸加載條件下的試件等效彈性模量的具體數(shù)值及變化規(guī)律。相比平行于片理面加載的彈性模量，垂直于片理加載時(shí)下降了近40%，這與表1中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖6給出了不同圍壓下試件三軸抗壓強(qiáng)度（σ1）與不同片理加載角度間的關(guān)系。隨著圍壓的增加，巖體強(qiáng)度的各向異性特點(diǎn)仍然存在，且隨加載角β的變化規(guī)律與無(wú)側(cè)限時(shí)相似。圖6給出了基于Jeager[1]單一弱面理論獲得的單軸壓縮下的解析曲線，與UDEC計(jì)算結(jié)果對(duì)照，兩者分布規(guī)律基本一致。

圖5 不同片理方向加載下的彈性模量Fig.5 Elastic modulus of uniaxial tests with different schistosity angle

圖6 不同圍壓、不同片理方向加載下的巖體強(qiáng)度曲線Fig.6 Strength curve of specimen under different confining pressures and different schistosity angle

Jaeger提出的單一弱面強(qiáng)度理論，其主要思想為將巖體假定為含一組定向弱面的各向同性體，基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，可求得沿弱面發(fā)生滑動(dòng)破壞的強(qiáng)度條件：

式中：cw和φw分別為弱面的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

將式（5）對(duì)β求偏微分，并令方程式為零，從而可得最小破壞強(qiáng)度發(fā)生在：

此外，巖體強(qiáng)度和破壞模式會(huì)隨弱面傾角的變化而變化，當(dāng)β趨于0或者β在(90°-φw)至90°范圍時(shí)，巖體不再沿著弱面滑動(dòng)，而是產(chǎn)生貫穿弱面的剪切破壞，此時(shí)的強(qiáng)度為完整巖體強(qiáng)度。

由于上述基于UDEC的數(shù)值模擬采用的假設(shè)與Jeager相同，因此計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出的巖體強(qiáng)度各向異性特點(diǎn)與Jeager提出的理論曲線基本一致。

表5給出了不同片理加載方向下試件的力學(xué)指標(biāo)等效值，包括等效黏聚力、內(nèi)摩擦角、UCS和彈性模量。其中各片理加載角下的等效黏聚力和內(nèi)摩擦角根據(jù)式（2）獲得，其變化規(guī)律與單軸壓縮強(qiáng)度一致，β約為30°時(shí)最小。

3 工程應(yīng)用

為了勘察丹巴引水隧洞軟巖段的工程地質(zhì)條件，從尾水出口部位往山體內(nèi)開挖了洞徑為3 m的勘探平洞CPD1，并在開挖過(guò)程中布置了多個(gè)監(jiān)檢測(cè)斷面，用以評(píng)估該軟巖圍巖的成洞條件?，F(xiàn)選擇其中一個(gè)典型剖面（樁號(hào)K0+520），模擬其開挖響應(yīng)過(guò)程?？紤]到平洞開挖斷面規(guī)模相對(duì)較小，可直接采用現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)模擬平洞的開挖響應(yīng)。結(jié)合UDEC程序，將軟巖片理結(jié)構(gòu)考慮成一組規(guī)則的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行等效模擬，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3和表4。具體的計(jì)算模型、洞室尺寸及地應(yīng)力條件如圖7所示。

圖7 CPD1平洞典型剖面形態(tài)及初始條件Fig.7 UDEC model and initial conditions of CPD1 tunnel

圖8給出了平洞開挖后的圍巖塑性屈服區(qū)分布，包括片理面的破壞情況?？傮w上，塑性屈服在左右邊墻及底板分布較廣，深度在0.5 m左右，頂拱處塑性屈服深度較小，僅約0.2 m。左側(cè)邊墻至左拱肩圍巖和右側(cè)邊墻下部片理面剪切滑移破壞現(xiàn)象較突出，這與現(xiàn)場(chǎng)觀察到的一些破壞現(xiàn)象較一致。平洞規(guī)模小、巖體強(qiáng)度低，此洞段現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)有劇烈的應(yīng)力性破壞現(xiàn)象，但左側(cè)邊墻、左拱肩及右邊墻的零星片狀剝落、掉塊或鼓脹松弛現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。從這些現(xiàn)象的位置、破壞模式及程度看，一方面受到了較高的初始地應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)所影響，同時(shí)也與片理和圍巖的空間關(guān)系密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為普遍分布的片理面引起的圍巖各向異性特征。

圖8中顯示了圍巖開挖面的破壞現(xiàn)象與片理方向存在較明顯的相關(guān)性。由于開挖面不同位置與片理方向的交角不一樣，表現(xiàn)出了不同的破壞模式、規(guī)模，主要可分為三類：①類，位于左右側(cè)墻，受力形式相當(dāng)于加載方向與片理面呈較小角度（β≈30°）相交，屬于弱面滑動(dòng)破壞類型；②類，位于左側(cè)拱肩處，受力形式相當(dāng)于加載方向與片理面呈極小角度（β＜10°）相交，巖體在壓彎作用下容易出現(xiàn)沿層面劈裂后的折斷或屈曲破壞；③類，位于頂拱和右拱肩，受力形式相當(dāng)于加載方向與片理面呈大角度（β＞50°）相交或垂直片理面，破壞形式以巖體剪切破壞為主。結(jié)合圖5所示的巖體強(qiáng)度各向異性特點(diǎn)，其中①類加載模式下的巖體強(qiáng)度最低，塑性破壞區(qū)深度最大，②類和③類的強(qiáng)度明顯要高一些，對(duì)應(yīng)的破壞區(qū)深度相對(duì)較小。若不計(jì)開挖邊界形態(tài)的影響，UDEC計(jì)算獲得的圍巖塑性破壞區(qū)分布特點(diǎn)與此前不同片理方向加載數(shù)值試驗(yàn)獲得的規(guī)律具有一致性，體現(xiàn)了巖體各向異性導(dǎo)致隧洞圍巖不同部位失穩(wěn)型式的不一致。在實(shí)際工程中，深入理解此類軟巖隧洞中不同部位的變形破壞特征差異性，有助于合理采用針對(duì)性的開挖支護(hù)方式，保證支護(hù)措施的可行性和有效性，提高工程整體安全穩(wěn)定性。

表5 不同片理方向加載的試件力學(xué)指標(biāo)等效值（未松弛巖體）Table 5 Mechanical equivalent parameters of the specimen with different schistosity angle

圖8 CPD1平洞開挖響應(yīng)結(jié)果及實(shí)測(cè)松動(dòng)圈輪廓Fig.8 Sketch of plastic failure zone of the simulated and field test results

圖8中給出了樁號(hào)K0+520斷面的兩組松動(dòng)圈（巖體低波速帶）測(cè)試成果，顯示了圍巖的松動(dòng)圈深度約為0.5～0.7 m，其中在頂拱處的深度為0.3～0.5 m。

對(duì)比UDEC計(jì)算結(jié)果，側(cè)墻的塑性破壞區(qū)分布范圍較好地復(fù)核了松動(dòng)圈測(cè)試成果，但計(jì)算獲得的頂拱塑性屈服區(qū)深度與測(cè)試結(jié)果比，相對(duì)偏小。

4 分析與討論

通過(guò)采用UDEC對(duì)丹巴石英云母片巖的各向異性特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果、監(jiān)測(cè)結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，有必要針對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討和說(shuō)明。

4.1 UDEC模擬片巖各向異性存在的不足

采用UDEC模擬獲得的各種加載條件下的巖體強(qiáng)度、變形參數(shù)等與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)大體上符合，基本體現(xiàn)了片巖的各向異性特點(diǎn)，但也存在不清晰的地方。一方面，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)量偏少，離散性較大，導(dǎo)致模擬結(jié)果的對(duì)照性較差；其次，此處模擬中采用了Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，計(jì)算結(jié)果也與Jaeger提出的傳統(tǒng)單一弱面強(qiáng)度理論解一致，但這并非與室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)完全匹配。

實(shí)際上大量試驗(yàn)研究表明，Jaeger破壞準(zhǔn)則對(duì)沿著弱面的滑動(dòng)破壞與完整巖石的破壞描述過(guò)于簡(jiǎn)化，特別是從斜交弱面的剪切破壞向沿著弱面滑移破壞的過(guò)渡范圍內(nèi)，往往會(huì)高估巖體的強(qiáng)度，將此情況下的強(qiáng)度等同于完整巖石介質(zhì)的強(qiáng)度，忽略了斜穿弱面及沿著弱面滑動(dòng)的混合破壞模式對(duì)整體強(qiáng)度的影響。圖9（a）為丹巴室內(nèi)試驗(yàn)獲得的試件各向異性強(qiáng)度曲線，圖9（b）為Hoek和Brown[8]獲得的頁(yè)巖、板巖和砂巖在不同弱面加載角、不同圍巖下的強(qiáng)度各向異性曲線。經(jīng)驗(yàn)表明，U型變化的曲線更趨于合理，Jeager破壞準(zhǔn)則中平折線的存在使其與實(shí)際巖體強(qiáng)度的各向異性規(guī)律存在一定的偏差。此外平行于弱面加載和垂直加載時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值也不盡相同。

比較CPD1平洞數(shù)值模擬塑性破壞區(qū)與現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果存在的差異，除了二維簡(jiǎn)化計(jì)算合理性、監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性、爆破對(duì)圍巖的開挖擾動(dòng)等影響外，上面闡述的采用UDEC模擬片巖各向異性的方法可能會(huì)因高估巖體強(qiáng)度而導(dǎo)致頂拱區(qū)域的塑性區(qū)深度要小于實(shí)際情況。

4.2 巖體各向異性的數(shù)值模擬方法

圖9 丹巴片巖及其他巖體的強(qiáng)度各向異性試驗(yàn)曲線Fig.9 Strength anisotropy of Danba slates and other rock in the uniaxial or triaxial compression test results

考慮到巖體普遍存在的不均一性、各向異性、不連續(xù)性等特點(diǎn)，要通過(guò)數(shù)值模擬方式表征巖體各向異性的室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)曲線特性，則數(shù)值模型中必須能夠反映巖體的真實(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。若在計(jì)算中僅簡(jiǎn)單等效為橫觀各向同性的連續(xù)介質(zhì)，或?qū)r體等效為均質(zhì)巖體和弱面的聯(lián)合體的方式，則顯然忽略了巖體中賦存的其他構(gòu)造或缺陷對(duì)巖體各向異性的影響。而這很難在有限差分、有限元等方法中加以考慮，當(dāng)前可嘗試采用基于細(xì)觀顆粒離散元法的PFC進(jìn)行描述［11］。顆粒離散元法中，因細(xì)觀顆粒層次上的不連續(xù)性誘發(fā)的復(fù)雜宏觀非連續(xù)行為并不需要復(fù)雜的本構(gòu)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這意味著顆粒離散元模型可能比其他數(shù)值模擬技術(shù)更切合實(shí)際，可適當(dāng)?shù)乇碚鲙r體的破壞特性，借此就可以直接對(duì)真實(shí)的巖體結(jié)構(gòu)開展各向異性分析工作。

4.3 尺寸效應(yīng)對(duì)巖體各向異性的影響

現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)參數(shù)不能完全地解釋CPD1平洞開挖響應(yīng)現(xiàn)象的另一個(gè)重要原因可能是巖體尺寸效應(yīng)的影響。在采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行CPD1平洞開挖模擬時(shí)，其尺度是否與開挖尺度相匹配值得思考。從小尺度上看，如室內(nèi)加載實(shí)驗(yàn)（0.05 m×0.1 m）和現(xiàn)場(chǎng)三軸試驗(yàn)（0.5 m×0.5 m×1 m）等，片巖可等效為橫觀各向同性材料，這樣有助于簡(jiǎn)化分析工作。但當(dāng)工程研究尺度增加后，如CPD1平洞開挖尺寸3 m×3 m、引水隧洞的直徑14～16 m、軟巖圓筒型調(diào)壓室的直徑30 m時(shí)，巖體中包含的結(jié)構(gòu)面將大幅增加，不僅包含了片理面，還可能有優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面或其他無(wú)規(guī)律性結(jié)構(gòu)面等存在，這將導(dǎo)致不同尺度巖體的各向異性特性也表現(xiàn)出不同的規(guī)律。盡管隨著巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面數(shù)量的增加，巖體強(qiáng)度各向異性可能向等效各向同性轉(zhuǎn)換，但單一或少數(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致的各向異性影響卻不能忽視。

對(duì)CPD1平洞樁號(hào)K0～920 m洞段的構(gòu)造裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，共計(jì)426條結(jié)構(gòu)面，區(qū)域節(jié)理裂隙中等發(fā)育，節(jié)理密度見(jiàn)圖10所示。丹巴軟巖段發(fā)育有兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，其中一組的產(chǎn)狀為N40°～70°W，NE∠45°～80°，另一組的產(chǎn)狀為N45°～75°E，ES∠40°～60°。可見(jiàn)，隨著研究尺度的增加，這兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面帶來(lái)的巖體各向異性問(wèn)題將逐步顯現(xiàn)，需要在大尺度工程問(wèn)題中加以考慮。

圖10 丹巴軟巖段節(jié)理密度圖Fig.10 Joint density map of Danba schist

一般而言，進(jìn)行較大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可得到相似尺度的巖體強(qiáng)度和變形特性，并有助于對(duì)大尺度工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。但此類試驗(yàn)難度大、成本高，不利于開展大量的試驗(yàn)工作。通常情況下工程人員多通過(guò)經(jīng)驗(yàn)的方法評(píng)估巖體物理力學(xué)參數(shù)，如Hoek等人提出的GSI系統(tǒng)等，但其并未體現(xiàn)大尺度巖體的各向異性特征。當(dāng)前，可采用數(shù)值模擬試驗(yàn)分析此類問(wèn)題，如通過(guò)建立多組結(jié)構(gòu)面組成的節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)模型（DFN），可以較真實(shí)地反映此類巖體的非連續(xù)各向異性特點(diǎn)，但對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的表現(xiàn)方式、本構(gòu)關(guān)系、空間分布形態(tài)以及力學(xué)參數(shù)等的表征均還存在難度，有待進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)丹巴石英云母片巖各向異性特征開展深入分析研究工作，有如下認(rèn)識(shí)：

（1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示了丹巴石英云母片巖具有明顯的各向異性性質(zhì)。基于UDEC對(duì)此類巖體各向異性特性進(jìn)行了模擬分析，得到了不同片理方向下加載試驗(yàn)的力學(xué)指標(biāo)等效值。當(dāng)加載方向與片理接近平行或呈大角度（50°～90°）相交時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度最大可達(dá)到15.6 MPa；當(dāng)加載方向與片理斜交（10°～40°）時(shí)，峰值強(qiáng)度減小，其中β=30°時(shí)約5.5 MPa；垂直于片理加載時(shí)，試件的等效彈性模量相比平行于片理面加載下降了近40%。數(shù)值計(jì)算獲得的片巖各向異性規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果以及Jaeger提出的單一弱面強(qiáng)度理論基本一致。

（2）CPD1平洞開挖響應(yīng)特征表明，隧洞圍巖不同部位的破壞形式與片理和開挖邊界的幾何切割關(guān)系密切，考慮片巖各向異性特性可以較好地解釋現(xiàn)場(chǎng)圍巖開挖現(xiàn)象。深入理解此類軟巖隧洞中不同部位處的變形破壞特征差異性有助于合理采用針對(duì)性的開挖支護(hù)方式，保證支護(hù)措施的可行性和有效性。

（3）UDEC模擬結(jié)果能一定程度上反映丹巴片巖的各向異性特點(diǎn)，可反映巖體變形各向異性特征，也可較好地反映沿弱面滑移破壞時(shí)的低強(qiáng)度特征，但并不能很好地模擬含弱面巖體的穿層破壞現(xiàn)象，后續(xù)有待更深入研究。