崔華龍，葉四橋

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

砂泥巖互層狀巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：存在層面以及定向排列，巖體變形主要受巖層組合和層面所控制，軟巖、硬巖有不同的地質(zhì)及工程特性，軟硬互層巖體的強(qiáng)度和變形特性則較為復(fù)雜多變。影響該類組合地層性質(zhì)的因素一般有軟巖厚度、巖層傾角以及軟巖強(qiáng)度等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對軟硬互層巖體的強(qiáng)度理論、變形特征等方面做了許多工作[1～15]。在試驗(yàn)研究方面，鮮學(xué)福等[1]、王玉川等[9]通過室內(nèi)巖石試驗(yàn)研究軟硬互層巖體層間特性以及軟硬巖層各自對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。王志榮等[10]通過對互層狀巖鹽進(jìn)行單軸和三軸壓縮蠕變試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖體變形主要受鹽巖影響。丁秀麗等[8]通過壓縮蠕變試驗(yàn)，研究了不同類型軟、硬巖石的蠕變破壞規(guī)律。Fabre G等[3]和Shin K等[4]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究了不同互層巖體的強(qiáng)度和蠕變特性，發(fā)現(xiàn)泥巖有顯著的粘塑性。吳渤等[2]用水泥和石英砂作為模型材料通過單軸壓縮試驗(yàn)研究了巖層傾角對互層巖體變形的影響。

此外，數(shù)值模擬手段也被廣泛用來研究軟硬互層巖體的工程特性[11～15]，如Halakatevakis等[5]通過UDEC對含有幾組結(jié)構(gòu)面的巖體進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度的模擬。鄧榮貴等[6]研究了層狀巖體的變形特性和強(qiáng)度特性，得到了巖體的節(jié)理數(shù)、軸向應(yīng)力、傾角和圍壓對變形模量和強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。郭松峰等[7]通過FLAC3D研究了含結(jié)構(gòu)面的巖體的變形規(guī)律，得出隨著結(jié)構(gòu)面的增多，巖體變形參數(shù)減弱，且加大了結(jié)構(gòu)面控制巖體破壞的概率。

目前對于軟硬互層巖體，公路隧道設(shè)計規(guī)范中一般按Ⅳ圍巖處理[16]。建筑邊坡規(guī)范[17]中規(guī)定“確定巖質(zhì)邊坡的巖體類型時，由堅硬程度不同的巖石互層組成且每層厚度小于或者等于5 m的巖質(zhì)邊坡宜視為由相對軟弱巖石組成的邊坡。當(dāng)邊坡巖體由兩層以上單層厚度大于5 m的巖體組成時，可分段確定邊坡巖體類型。”當(dāng)單層厚度小于5 m時，巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)直接按相對軟弱巖層取值是否合理未得到系統(tǒng)探討。

本文以砂泥巖互層巖體為研究對象，引入層厚比，指砂泥巖互層巖體中泥巖層厚與砂巖層厚之比，基于FLAC3D三軸數(shù)值試驗(yàn)方法，研究層厚比、層厚對水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)和變形特征的影響規(guī)律。

1 數(shù)值試驗(yàn)原理與方法

在本次試驗(yàn)中，將各向異性的巖體視為各向同性。根據(jù)胡克定律：

(1)

基于FLAC3D模擬三軸數(shù)值試驗(yàn)的步驟為：

(1)擬定長方體試件，試件砂泥巖互層巖體，長方體沿高的方向?yàn)檩S壓方向，四周施加圍壓。

(2)在四周施加圍壓σ3，保持圍壓不變，在豎直方向以1×10-5m/s的速度施加軸向位移，得出每次軸向位移施加后巖樣面上所受的壓力，該面上的應(yīng)力為此壓力除以該面的面積。

(3)不斷增大軸向位移，共運(yùn)行15 000步，由應(yīng)力應(yīng)變曲線得出最大軸應(yīng)力σ1。

(4)改變圍壓σ3，重復(fù)以上步驟，繪制不同圍壓下的應(yīng)力圓包絡(luò)線，由此求解水平砂泥巖互層巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2 水平砂泥巖互層巖體數(shù)值試驗(yàn)

2.1 模型參數(shù)的選取及模型建立

為研究層厚比對水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，互層巖體物理力學(xué)參數(shù)參考西南地區(qū)砂泥巖互層巖體的力學(xué)參數(shù)，泥巖重度24.5 kN/m3，體積模量16.7 GPa，剪切模量12.5 GPa，內(nèi)摩擦角20°，抗拉強(qiáng)度0.35 MPa，黏聚力2 MPa。砂巖重度26 kN/m3，體積模量75 GPa，剪切模量34.6 GPa，內(nèi)摩擦角40°，抗拉強(qiáng)度2 MPa，黏聚力30 MPa，擬定為水平巖層，模型尺寸1 m×1 m×2 m，共劃分2 000個單元(圖1)。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model

2.2 數(shù)值試驗(yàn)方案

為研究不同砂泥巖層層厚比對水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，保持巖層傾角、巖性等因素不變，進(jìn)行三軸數(shù)值試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表1。對每組試驗(yàn)分別施加0.1，0.5，1 MPa的圍壓，通過三軸數(shù)值試驗(yàn)，記錄不同圍壓下，水平砂泥巖互層巖體破壞的最大軸壓力，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出巖體破壞時的摩爾應(yīng)力圓，進(jìn)而求出不同層厚比下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

表1 三軸數(shù)值試驗(yàn)方案設(shè)計

3 層厚比對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

3.1 層厚比對巖體黏聚力的影響

由三軸數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果得到水平砂泥巖互層巖體的黏聚力在不同層厚比下的變化趨勢見圖2。隨著層厚比的增大，互層巖體的黏聚力減小，最終趨于穩(wěn)定。砂泥巖互層巖體的層厚比以0.75為界，小于0.75時，層厚比越小黏聚力越大，大于0.75時，黏聚力則不隨層厚比增加而繼續(xù)削弱，即對于層厚比大于0.75的砂泥巖互層巖體黏聚力按泥巖取值是可行的；層厚比在0.75以下時，則需要考慮層厚比對砂泥巖互層巖體黏聚力的影響，推測由于層厚比越小，硬巖對巖體黏聚力的貢獻(xiàn)越大，其增大效應(yīng)不可忽略，從數(shù)值試驗(yàn)得到的結(jié)果來看，可按1～4倍的泥巖黏聚力取值。

圖2 層厚比對水平砂泥巖互層巖體黏聚力的影響Fig.2 Influence of different thickness ratios on the cohesion of rock mass

3.2 層厚比對巖體內(nèi)摩擦角的影響

水平砂泥巖互層巖體的內(nèi)摩擦角隨著層厚比的增大呈減小趨勢，最終趨于穩(wěn)定(圖3)。由數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果可知，同層厚比對水平砂泥巖互層巖體黏聚力的影響規(guī)律類似，當(dāng)層厚比小于0.75時，砂泥巖互層巖體的內(nèi)摩擦角變化范圍較大，僅按泥巖取值不夠準(zhǔn)確，其內(nèi)摩擦角應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)等確定；而層厚比大于0.75時，巖體內(nèi)摩擦角在20°上下變化，同泥巖內(nèi)摩擦角相仿，則說明在此情形下，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)按泥巖的內(nèi)摩擦角取值是客觀可行的。

圖3 層厚比對水平砂泥巖互層巖體內(nèi)摩擦角的影響Fig.3 Influence of different thickness ratios on the angle of internal friction of rock mass

3.3 層厚比對巖體變形特征的影響

圖4是巖體中巖層數(shù)為4層時不同層厚比的試件變形特征圖。在軸壓和圍壓作用下，層厚比較小時，試件的變形在砂、泥巖層都有發(fā)生，破壞范圍較大，隨著層厚比的增大，其變形范圍上移，當(dāng)層厚比大于0.5時，試件的變形破壞發(fā)生在軟巖部分，硬巖部分基本不出現(xiàn)變形或僅出現(xiàn)少量變形，也就是說軟巖控制了水平砂泥巖互層巖體的變形。

圖4 不同層厚比情況下巖體的變形特征Fig.4 Deformation features of rock mass under different thickness ratios

4 層厚對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

4.1 層厚對巖體黏聚力的影響

保持泥巖和砂巖巖層厚比不變，改變砂泥巖的層厚，在不同圍壓下，得出其抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律(圖5)。由試驗(yàn)結(jié)果可得，層厚比小于0.2時，試件分層數(shù)越多，層厚越薄，黏聚力越大，且遠(yuǎn)大于泥巖，也就是說實(shí)際工程中不應(yīng)僅按泥巖取值。層厚比大于0.2時，黏聚力隨層厚的變化較小，基本與泥巖的黏聚力一致，可按泥巖取值。所以，建議在實(shí)際工程中，層厚對水平砂泥巖互層巖體黏聚力的影響規(guī)律要區(qū)分不同層厚比來確定。

圖5 層厚對巖體黏聚力的影響Fig.5 Influence of the same thickness ratio and different thicknesses of layers on the cohesion of rock mass

4.2 層厚對巖體內(nèi)摩擦角的影響

層厚比相同時，巖層厚度對水平砂泥巖互層巖體有明顯的影響(圖6)。當(dāng)層厚比在0.1～0.75時，隨著巖層厚度的減小，水平砂泥巖互層巖體內(nèi)摩擦角的變化范圍較大，具體取值建議根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)確定；層厚比為0.75～2時，隨著巖層厚度的減小，其變化不明顯，且趨近于泥巖的內(nèi)摩擦角，可按泥巖取值。

圖6 層厚對水平砂泥巖互層巖體內(nèi)摩擦角的影響Fig.6 Influence of the same thickness ratio and different thicknesses of layers on the angle of the internal friction of rock mass

4.3 層厚對巖體變形特征的影響

圖7為砂泥巖層厚度比為0.5、分層數(shù)分別為2，4，6，8層試件的破壞模式，其在模擬結(jié)束時的應(yīng)變值分別為1.502 9×10-1，1.039 2×10-1，1.023 9×10-2以及1.014 5×10-1。結(jié)果表明：隨著互層巖體巖層厚度的減小，巖體變形量逐步減小，并且變形范圍由分層數(shù)為2時的泥巖破壞擴(kuò)大至砂泥巖共同破壞。砂巖層厚度為1.333 m、泥巖層厚度為0.667 m時巖體的變形量大約是砂巖層厚度為0.333 m、泥巖層厚度為0.167 m時的1.5倍，可見巖層厚度的改變對砂泥巖互層巖體變形量的影響較明顯。

圖7 不同層厚情況下巖體的變形特征Fig.7 Deformation features of rock mass with the same thickness and different thicknesses of layers

5 結(jié)論

(1)通過數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，層厚比對水平砂泥巖互層巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和變形特征有顯著影響。以0.75為界，小于0.75時，層厚比越小黏聚力越大，內(nèi)摩擦角的變化范圍也比較大；大于0.75時，黏聚力則不隨層厚比增加而繼續(xù)削弱，內(nèi)摩擦角在20°上下變化。即對于層厚比大于0.75的水平砂泥巖互層巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)按泥巖取值是可行的；當(dāng)層厚比在0.75以下時，則需要考慮硬巖對砂泥巖互層巖體的黏聚力的增大效應(yīng)，巖體黏聚力可按1～4倍的泥巖黏聚力取值，巖體內(nèi)摩擦角僅按泥巖取值不客觀，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)等確定。

(2)在層厚比不變的情況下，層厚對互層巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響顯著。層厚比小于0.2時，互層巖體的黏聚力隨層厚變化較大，不應(yīng)僅按泥巖取值，具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或試驗(yàn)確定；層厚比大于0.2時，黏聚力隨層厚的變化較小，可按泥巖取值。層厚比小于0.75時，互層巖體的內(nèi)摩擦角隨層厚變化較大，也說明僅按泥巖取值不客觀；層厚比大于0.75時，巖體內(nèi)摩擦角隨層厚的變化較小，不管層厚如何變化，均可按泥巖的內(nèi)摩擦角取值。

(3)水平砂泥巖互層巖體的變形特征也與巖體層厚比和層厚有關(guān)。厚度比較小時，巖體變形發(fā)生在砂巖層，破壞范圍較大，隨著厚度比的增大，其變形破壞發(fā)生在軟巖部分，硬巖部分基本不出現(xiàn)變形或出現(xiàn)少量變形；若巖體層厚比不變，層厚減小，巖體的變形范圍變大。