石 卉

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

本研究以某水利工程為研究背景，該工程為Ⅱ等大(2)型工程，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。攔河壩為混凝土重力壩，壩頂高程3451.0 m，最大壩高126.0 m，壩頂長385.0 m。該工程邊坡平面形態(tài)曲折，總體呈北東-南西向展布，總長度230.5 m，其邊坡坡體為巖質(zhì)邊坡，外傾結(jié)構(gòu)面或外傾不同結(jié)構(gòu)面的組合線傾角27°～ 75°，巖體完整程度為完整。巖石的強(qiáng)度及變形特性會(huì)影響其邊坡穩(wěn)定性，故本研究以水利工程邊坡巖石為研究對(duì)象，分析尺寸效應(yīng)對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度及壓縮模量影響[1-5]。

2 數(shù)值模擬及參數(shù)確定

以水利工程邊坡巖石為研究對(duì)象，采用離散元軟件，分析巖石的力學(xué)及變形特性，由于巖石的粒徑級(jí)配對(duì)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在一定的影響，為選取合適的級(jí)配模型進(jìn)行分析，本研究建立3種不同粒徑級(jí)配的模型，將其數(shù)值模擬結(jié)果與單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不同級(jí)配模型的細(xì)觀參數(shù)如表1所示。

表1 模型的細(xì)觀參數(shù)

采用以上模型參數(shù)，模擬單軸壓縮試驗(yàn)，并將其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。由圖可知，室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的試驗(yàn)強(qiáng)度變化規(guī)律具有一致性，試驗(yàn)的直徑與其強(qiáng)度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著試驗(yàn)直徑的增大，其峰值強(qiáng)度逐漸減小。對(duì)比不同模型下的模擬結(jié)果可得，不同試驗(yàn)直徑下的數(shù)值模擬效果具有一定的差異性，當(dāng)試驗(yàn)直徑較大或較小時(shí)，模型Ⅱ、模型Ⅲ得出的峰值強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)得出的峰值強(qiáng)度差異較大；當(dāng)試樣直徑為50 mm時(shí)，各模型的峰值強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)得出的峰值強(qiáng)度差異最小，其間的峰值強(qiáng)度差值<1 MPa，其中，模型Ⅰ與室內(nèi)試驗(yàn)得出的峰值強(qiáng)度差異較小，說明采用模型Ⅰ得出的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高，因此，本研究采用模型Ⅰ進(jìn)行后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算。

圖1 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果分析

為分析尺寸效應(yīng)對(duì)巖石強(qiáng)度的影響規(guī)律，采用離散元軟件分別模擬試樣直徑為10 mm、20 mm、30 mm、50 mm和70 mm下的單軸壓縮試驗(yàn)，設(shè)定試驗(yàn)圍壓為0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa和20 MPa，分別分析其強(qiáng)度、應(yīng)變及壓縮模量的變化情況，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表可知，試樣直徑與巖石強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、壓縮模量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明尺寸效應(yīng)對(duì)于巖石強(qiáng)度存在一定的影響，當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著試樣直徑的增大，巖石的強(qiáng)度逐漸減小，且當(dāng)其試樣直徑<40 mm時(shí)，其試樣直徑與強(qiáng)度間近似呈線性關(guān)系，其強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為明顯，隨著試樣直徑的增大，其巖石強(qiáng)度減小趨勢(shì)較為平緩，說明當(dāng)試樣直徑較小時(shí)，尺寸效應(yīng)對(duì)巖石強(qiáng)度的影響較大，隨著試樣直徑的增大，尺寸效應(yīng)對(duì)巖石強(qiáng)度的影響較小。分析不同圍壓下的巖石強(qiáng)度及變形規(guī)律可得，在同一試樣直徑下，圍壓與巖石的強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、壓縮模量間呈正相關(guān)關(guān)系，說明當(dāng)巖石試樣所承受的圍壓較大時(shí)，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性有所提升，巖石的抗壓性能較強(qiáng)，當(dāng)圍壓較小時(shí)，不同圍壓下的巖石強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、壓縮模量間的差距較小，隨著圍壓的增大，其間的差值逐漸增大，說明當(dāng)圍壓較大時(shí)，圍壓的改變對(duì)巖石強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響較大。在不同圍壓下，不同試樣直徑下的巖石強(qiáng)度差值較為接近，說明圍壓對(duì)巖石的尺寸效應(yīng)無明顯的影響。當(dāng)試樣尺寸為10～20 mm、30～50 mm時(shí)，同一圍壓下的巖石峰值應(yīng)變差值最大，其峰值應(yīng)變最大差值可達(dá)到0.86 × 10-3，說明在以上試樣直徑下，尺寸效應(yīng)對(duì)巖石變形的影響最大。

表2 計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)一步分析試樣尺寸對(duì)巖石強(qiáng)度的影響機(jī)理，分析尺寸效應(yīng)對(duì)巖石強(qiáng)度參數(shù)的影響，在同一圍壓下，不同試樣尺寸下的巖石強(qiáng)度參數(shù)變化如表3所示。由表可知，隨著試樣直徑的變化，強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)K與內(nèi)摩擦角的變化較小，而強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)Q與黏聚力的變化趨勢(shì)較為顯著，說明巖石的尺寸效應(yīng)主要是由于其黏聚力的變化引起的，說明黏聚力為巖石強(qiáng)度的材料參數(shù)，會(huì)隨著其試樣直徑的變化而變化，是影響巖石尺寸效應(yīng)的主要因素之一。

表3 巖石強(qiáng)度參數(shù)變化

為直觀反映圍壓變化對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，分析不同圍壓下巖石試樣的強(qiáng)度變化規(guī)律，其圍壓-強(qiáng)度曲線如圖2所示。由圖可知，圍壓與巖石強(qiáng)度間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度逐漸增大，其增長趨勢(shì)接近線性增長，說明圍壓的增大可以增強(qiáng)巖石的強(qiáng)度，提高其穩(wěn)定性。對(duì)比不同試樣尺寸下的巖石強(qiáng)度可得，在同一圍壓下，試樣直徑為10 mm的巖石強(qiáng)度最大，當(dāng)圍壓為20 MPa時(shí)，其試樣的巖石強(qiáng)度可達(dá)到128 MPa；試樣直徑為70 mm的巖石強(qiáng)度最小，當(dāng)圍壓為20 MPa時(shí)，其試樣的巖石強(qiáng)度為111 MPa。隨著試樣直徑的增大，各尺寸間的巖石強(qiáng)度差值逐漸減小，在同一圍壓下，當(dāng)試樣直徑為10 ～ 20 mm時(shí)，其間的最大巖石強(qiáng)度差值為8 MPa，當(dāng)試樣直徑為50 ～ 70 mm時(shí)，其間的最大巖石強(qiáng)度差值不足1 MPa，說明當(dāng)試樣直徑較大時(shí)，巖石的尺寸效應(yīng)較不明顯。

圖2 圍壓-強(qiáng)度曲線

分析不同圍壓下巖石試樣的應(yīng)變變化規(guī)律，其圍壓-峰值應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖可知，巖石的峰值應(yīng)變與其圍壓間呈線性正相關(guān)關(guān)系，不同巖石試樣直徑間的峰值應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)具有一致性，且其曲線的斜率差異較小，說明圍壓的改變對(duì)不同尺寸的巖石試樣的強(qiáng)度影響規(guī)律具有一致性，圍壓對(duì)巖石的尺寸效應(yīng)的影響較不明顯。對(duì)比不同試樣尺寸下的巖石峰值應(yīng)變可得，在同一圍壓下，試樣直徑為10 mm的巖石峰值應(yīng)變最大，試樣直徑為70 mm的巖石峰值應(yīng)變最小，且不同試樣直徑下的峰值應(yīng)變差值相近，即使當(dāng)巖石試樣尺寸較大時(shí)，其尺寸效應(yīng)對(duì)峰值應(yīng)變的影響仍然較為明顯。

圖3 圍壓-峰值應(yīng)變曲線

分析不同圍壓下巖石試樣的強(qiáng)度變化規(guī)律，其圍壓-壓縮模量曲線如圖4所示。由圖可知，隨著圍壓的增大，巖石的壓縮模量逐漸增大，當(dāng)圍壓>10 MPa時(shí)，圍壓-壓縮模量曲線變化趨勢(shì)逐漸趨于平緩，說明當(dāng)圍壓較小時(shí)，改變圍壓對(duì)巖石壓縮性能的影響較大。對(duì)比不同試樣尺寸下的巖石壓縮模量可得，在同一圍壓下，巖石試樣直徑為10 mm的壓縮模量最大，試樣直徑為70 mm的壓縮模量最小，說明尺寸效應(yīng)會(huì)顯著影響巖石的壓縮性，且?guī)r石尺寸越小，巖石越堅(jiān)硬，越難被壓縮，其抗壓性能越好。綜合以上分析可得，巖石的尺寸效應(yīng)會(huì)影響其強(qiáng)度與性能，且當(dāng)巖石試樣的尺寸越小時(shí)，其試樣的強(qiáng)度及抗壓性能越好。

圖4 圍壓-壓縮模量曲線

4 結(jié) 論

本研究以水利工程邊坡巖石為研究對(duì)象，采用離散元軟件，分析尺寸效應(yīng)對(duì)其巖石抗壓強(qiáng)度及壓縮模量影響，得出以下結(jié)論：

(1)巖石的粒徑級(jí)配對(duì)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在一定的影響，其中，模型Ⅰ與室內(nèi)試驗(yàn)得出的峰值強(qiáng)度差異較小，說明采用模型Ⅰ得出的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

(2)當(dāng)其試樣直徑<40 mm時(shí)，其試樣直徑與強(qiáng)度間近似呈線性關(guān)系，其強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為明顯，隨著試樣直徑的增大，其巖石強(qiáng)度減小趨勢(shì)較為平緩。

(3)當(dāng)圍壓較小時(shí)，改變圍壓對(duì)巖石壓縮性能的影響較大。在同一圍壓下，試樣直徑為10 mm的巖石峰值應(yīng)變最大，試樣直徑為70 mm的巖石峰值應(yīng)變最小，且不同試樣直徑下的峰值應(yīng)變差值相近，即使當(dāng)巖石試樣尺寸較大時(shí)，其尺寸效應(yīng)對(duì)峰值應(yīng)變的影響仍然較為明顯。