第1章引言
歷史上的地質(zhì)構(gòu)造運動和風(fēng)化卸荷作用,使得巖體結(jié)構(gòu)中含有大量不同方向?規(guī)模?產(chǎn)狀的非連續(xù)性結(jié)構(gòu)面(節(jié)理?斷層?裂隙),從而導(dǎo)致巖體在工程結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上不同于其他工程材料,呈現(xiàn)非均質(zhì)?非線性?非連續(xù)的各向異性;同時又成為巖體工程地下水流的主要通道,使得巖體滲透特性亦不同于一般孔隙介質(zhì),呈非均勻性和各向異性,形成節(jié)理巖體?節(jié)理巖體中的空隙有以下三類?
(1) 孔隙(pores)?若巖石中的空隙在各方向的尺寸屬于同一量級,則稱為孔隙?巖石中的孔隙分為水力連通孔隙和水力不連通孔隙兩類?水力連通孔隙和土壤中的孔隙相類似,是完整巖石中的滲水通道?
(2) 裂隙(fractures)?若巖石中的空隙在某一方向的尺寸遠小于其他兩個方向的尺寸(達米級以上),則稱為裂隙(巖石力學(xué)中稱為結(jié)構(gòu)面);若某一方向延伸很長,其他兩個方向均相對較小,則稱為溶洞(karst cave)或孔洞?若巖石中無裂隙存在,則稱為完整巖石(intact rock);若巖石中有裂隙發(fā)育,則稱為裂隙巖石(fractured rock)?從滲水性上可視完整巖石為微孔隙介質(zhì)(porous media)?
這些空隙的存在增加了巖體物理力學(xué)性能的復(fù)雜性,另一方面也為地下水提供了儲存和運移的場所,對其進行重點研究的必要性體現(xiàn)在許多應(yīng)用學(xué)科進一步發(fā)展的需求和一些重大的急需解決的實際工程問題中,如水利水電工程?巖土工程?石油工程以及近年來在國際上成為研究熱點的高放射性核廢料地下儲存等?
(3) 微裂隙(microfissures)?若巖石中的空隙在一個方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸,且最長的尺寸也是微小的,則稱為微裂隙?多數(shù)巖石為脆性材料,在其形成過程中受到多種環(huán)境影響而出現(xiàn)微裂紋,被視為材料的缺陷?微裂紋分布既有完全隨機的,也有大體定向的?微裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象,對巖石的強度有重大影響?應(yīng)力環(huán)境對微裂紋的寬度有影響,因而其滲透性和應(yīng)力環(huán)境有明顯的相關(guān)性?
1.1研 究 背 景
隨著二氧化碳地下封存?高放射性核廢料地下處置?垃圾填埋等特殊工程的興建,圍巖裂隙體穩(wěn)定性問題?裂隙介質(zhì)中地下水流動問題以及污染物隨著水流的運移問題近幾年越來越受到人們的關(guān)注?地下工程的開挖建設(shè)對周圍裂隙巖體產(chǎn)生較大的擾動,改變其應(yīng)力和位移場的分布情況,圍巖裂隙中的滲流和溶質(zhì)運移特征也會因此發(fā)生改變,而這對污染物的地下封存與隔離效果有著至關(guān)重要的影響?巖體中存在的孔隙和裂隙等缺陷不但大大改變了巖體的力學(xué)性質(zhì)(變形模量和強度參數(shù)降低?巖體呈各向異性),而且嚴(yán)重影響著巖體的滲透特性?裂隙巖體的滲流場受應(yīng)力環(huán)境的影響,而滲流場的變化反過來又對應(yīng)力場產(chǎn)生影響,這種相互影響稱為應(yīng)力滲流耦合?滲流場與應(yīng)力場相互耦合是巖體力學(xué)中的一個重要特性?巖體滲流研究在各種地質(zhì)工程應(yīng)用中占有重要的地位,如采礦和石油工程?核廢料儲存工程?在當(dāng)前日益增長的環(huán)境控制條件下,流入開挖區(qū)域水量的估計和污染礦水的排泄程序都是地下工程的發(fā)展和運營時期的重要影響因素;在核廢料儲存工程中,地下水的輻射污染也需要特別注意和預(yù)防?要發(fā)展一種適合裂隙巖體應(yīng)力滲流耦合分析模型,充分理解巖石裂隙內(nèi)水的流動機制是非常關(guān)鍵的?
巖體中節(jié)理裂隙的存在嚴(yán)重削弱了巖體強度,降低了巖體的彈性模量,而且,巖體中存在的結(jié)構(gòu)面在外部荷載作用下往往更容易發(fā)生錯動和離層等變形?為限制裂隙和巖石變形?提高巖體強度和工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,巖體工程需要采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?作為巖體支護的主要手段之一,錨桿已廣泛應(yīng)用于隧道工程?地下工程?采礦工程?堤壩工程和水利水電等各種工程中?研究發(fā)現(xiàn):在節(jié)理巖體中,節(jié)理面和錨桿相互作用,節(jié)理面對錨桿產(chǎn)生剪切作用,錨桿同時限制了節(jié)理面變形,致使錨桿在節(jié)理面附近發(fā)生明顯彎折和變位,錨桿的變形往往遠大于巖體的變形,但目前錨桿計算模型尚不能有效反映這一特性?本書對錨桿在節(jié)理面附近的局部變形和受力狀態(tài)?節(jié)理�插^桿加固系統(tǒng)模型進行深入的分析和研究,并將研究成果應(yīng)用于地下洞室群的穩(wěn)定性分析中,取得了較好的效果?
1.2節(jié)理裂隙應(yīng)力滲流耦合機理研究綜述
在水利水電?石油開采和核廢料儲存等工程中都存在許多巖石節(jié)理滲流問題?在巖體介質(zhì)中,空隙的尺寸和連通程度一般都遠小于巖體中節(jié)理裂隙,而且裂隙的水力傳導(dǎo)系數(shù)遠遠大于完整巖石中孔隙的滲透系數(shù),因此裂隙網(wǎng)絡(luò)是巖體中水運動的主要通道?單裂隙面是構(gòu)成巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的基本元素,巖體的滲透性能和滲透方向不僅與裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育?切割特征有關(guān),還與單個裂隙的幾何特征(如裂隙的寬度?方向?粗糙性和充填性等)密切相關(guān)?因此,要研究巖石水力學(xué)和合理地預(yù)測工程巖體中復(fù)雜的滲流狀態(tài),必須從單裂隙面的滲流特性這一基礎(chǔ)性課題入手,首先對單一裂隙的水力特性進行研究?
巖石裂隙水力耦合作用主導(dǎo)著裂隙中水流和溶質(zhì)運移行為?人們很早就開始對裂隙的剪切滲流耦合機理以及介質(zhì)中地下水溶質(zhì)運移進行了探索研究,并且在試驗研究?理論分析和計算方法等方面取得了一定成果?然而,由于巖體裂隙系統(tǒng)本身錯綜復(fù)雜,在各種作用力的影響下,其空間幾何因素的復(fù)雜性?滲透系數(shù)的各向異性和彌散系數(shù)不確定性加大,使得該研究變得非常困難?Wels和Smith[1]指出裂隙網(wǎng)絡(luò)中的溶質(zhì)運移機理取決于單裂隙中溶質(zhì)運移特點,因此研究擾動作用下裂隙網(wǎng)絡(luò)中水流和溶質(zhì)運移特性,應(yīng)以研究單裂隙在剪切過程中地下水流動狀態(tài)和溶質(zhì)運移機理為基礎(chǔ),探索裂隙介質(zhì)中滲透性?對流?彌散?吸附等特征?地下水流動和溶質(zhì)運移特征受很多因素影響,如水的黏度?流速?裂隙的連通性?隙寬?裂隙面的粗糙度及一些參數(shù)的尺寸效應(yīng)等[2,3],而剪切作用使這些因素變得更加復(fù)雜?早期關(guān)于單裂隙介質(zhì)中水流與溶質(zhì)運移成果多數(shù)是基于光滑平行板裂隙的理想簡化模型,而自然界中裂隙表面一般是粗糙不平的,此外Isakov等[4]也認為裂隙水流與溶質(zhì)運移研究進展緩慢的原因不僅是影響因素繁多,還有裂隙面的幾何特征的描述比較困難?因此合理描述裂隙表面粗糙特征,開展剪切過程中單個粗糙裂隙中水流與溶質(zhì)運移機理研究具有重要意義?粗糙裂隙在剪切作用下的滲流與溶質(zhì)運移研究主要針對剪切作用影響下裂隙中水流與溶質(zhì)運移規(guī)律以及模擬方法,研究內(nèi)容可以歸納為以下幾個方面:①剪切作用影響;②粗糙裂隙介質(zhì);③流體滲流;④溶質(zhì)運移;⑤水流與溶質(zhì)運移之間的相互關(guān)系?研究粗糙裂隙中溶質(zhì)運移首先要以研究裂隙中水的滲透特性為基礎(chǔ),水的滲透性又直接受到裂隙表面的粗糙形貌影響,而剪切作用則直接改變節(jié)理裂隙的形貌特征?
1.2.1巖石裂隙表面形貌描述方法研究
自然中大多數(shù)裂隙面都是凹凸不平的,裂隙表面形態(tài)特征對節(jié)理面的剪切作用?流體流動的曲折性和溶質(zhì)運移的彌散特性等都有重要的影響?定量地描述裂隙表面形態(tài)進而確定合理的表面形態(tài)參數(shù)對研究裂隙中流動特性以及建立形態(tài)特征參數(shù)與流動特性之間的定量關(guān)系具有重要的意義?描述裂隙表面形態(tài)特性方法因測量方式和實際應(yīng)用而異?總的來說,人們對裂隙表面形態(tài)研究方法大致可以分為幾何形狀假設(shè)方法?統(tǒng)計學(xué)方法和分形幾何方法三大類?
1. 幾何形狀假設(shè)方法
幾何形狀假設(shè)方法一般把裂隙表面形貌假設(shè)為由一系列不同幾何形狀的微小凸起組成,基于每個凸起之間的作用機理得到整個節(jié)理面的力學(xué)反應(yīng)?常見的形貌假設(shè)主要有平行板假設(shè)?鋸齒形表面凸起假設(shè)?球形凸起假設(shè)和長方形凸起假設(shè)等?
(1) 平行板假設(shè)?早期的研究一般把粗糙裂隙面簡化為由兩個相互平行的板面組成,這是最簡單的假設(shè)方法,常用的立方定理就是基于該模型推導(dǎo)得出的?然而由于自然裂隙面一般是粗糙不平的,與理想的光滑平行板表面相差較遠,所以該假設(shè)會使計算產(chǎn)生較大的偏差?
(2) 鋸齒形表面凸起假設(shè)?該假設(shè)把起伏不平的裂隙表面形態(tài)簡化為具有相同角度的規(guī)則齒形和不同傾角的不規(guī)則齒形?Johnston和Lam[5]?Seidel和Haberfield[6]?Yang等[7]?Yang和Chiang[8]都對鋸齒形表面進行了大量的研究,分析了傾角?齒距等參數(shù)與裂隙面力學(xué)特性之間的定量關(guān)系?鋸齒形表面凸起假設(shè)是最為常見的形貌假設(shè)方法?
(3) 球形凸起假設(shè)?1966年Greenwood和Williamson[9]把裂隙表面簡化為球形凸起,并推導(dǎo)出兩個球體之間的接觸作用?Brown和Scholz[10]應(yīng)用Greenwood和Williamson所得的理論結(jié)果,把裂隙上下表面均假設(shè)為由半徑不同的球體組成,并且推導(dǎo)了裂隙面的閉合特性?由曲率不同的球形凸起組成的裂隙表面與自然裂隙形貌最接近,然而由于球體之間相互作用的理論解難以求出,導(dǎo)致該幾何形貌假設(shè)下裂隙面之間相互作用的解析解難以得到?
(4) 長方形凸起假設(shè)?該假設(shè)一般由一系列尺寸不同的微小長方體概化組成粗糙節(jié)理表面?Kown等[11]依據(jù)該表面形狀假設(shè),推導(dǎo)得出了裂隙面的剪切強度模型?該形貌假設(shè)的優(yōu)點是當(dāng)長方形尺度選擇合適時,能夠較好地反映節(jié)理面形貌,并基于此可以推出節(jié)理面受力反應(yīng)的最終狀態(tài),但是全面地考慮到具體作用過程存在一定的難度?
2. 統(tǒng)計學(xué)方法
統(tǒng)計學(xué)方法一般是通過分析裂隙的二維粗糙線得到裂隙表面形態(tài)描述參數(shù)?常用的統(tǒng)計學(xué)方法有粗糙度系數(shù)法?統(tǒng)計學(xué)參數(shù)法和地質(zhì)統(tǒng)計參數(shù)法等?
1) 粗糙度系數(shù)法
粗糙度是衡量節(jié)理裂隙面相對于平面的波動起伏程度的指標(biāo),對裂隙中流體流動的曲折性有重要的意義?Barton[12]從工程角度出發(fā),研究具有不同表面形態(tài)的節(jié)理面力學(xué)行為,并在此基礎(chǔ)上提出了節(jié)理粗糙度綜合描述參數(shù),其中節(jié)理面粗糙度系數(shù)JRC得到普遍的認可,至今該系數(shù)仍被廣泛應(yīng)用于各種工程實際中?1976年Barton和Choubey[13]通過對136條節(jié)理面形貌進行統(tǒng)計分析,按其粗糙程度大小,將節(jié)理粗糙度系數(shù)劃分為10級,相應(yīng)的JRC取值為0~20?在進行實際的粗糙度評價時,可將相同尺寸的被觀測節(jié)理面表面形狀與10條標(biāo)準(zhǔn)剖面線比較,并選取最接近的JRC作為其取值大小?然而,Kulatilake等[14]認為JRC僅可以用來表征平穩(wěn)粗糙度,不能用來反映非平穩(wěn)粗糙度;Maerz等[15]認為JRC并不具有嚴(yán)格的幾何意義,它的確定方法包含主觀因素,因而失去了科學(xué)上的唯一性和嚴(yán)謹性,可能引起預(yù)測的節(jié)理裂隙力學(xué)行為出現(xiàn)嚴(yán)重偏差?
2) 統(tǒng)計學(xué)參數(shù)法
自然巖石裂隙表面一般是粗糙不平的不規(guī)則幾何面,因此可以采用統(tǒng)計學(xué)參數(shù)或者函數(shù)來描述?常見的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)通常包括節(jié)理凸臺高度?傾角?形狀和分布等[15,16],可以把它們大致分為三類[17]?
(1) 振幅參數(shù)?主要是用來反映粗糙表面凸臺高度變化情況的參數(shù),如中線均值C?凸臺高度的均方值M?均方根R和絕對粗糙度k?
(2) 斜率參數(shù)?主要是反映裂隙面凸臺形狀的參數(shù),如凸臺高度的一階導(dǎo)數(shù)即斜率Z2?二階導(dǎo)數(shù)即曲率Z3?平均微角i和粗糙度指數(shù)Rp等?
(3) 混合參數(shù)?即同時涉及振幅變化和凸臺斜率變化的參數(shù),如自相關(guān)函數(shù)AC?結(jié)構(gòu)函數(shù)S和譜密度函數(shù)等?
統(tǒng)計學(xué)描述參數(shù)多達十幾個,如此多的參數(shù)似乎足以用來描述粗糙裂隙的表面形態(tài),然而實際情況卻遠非如此?Bahat[18]引入14個不同參數(shù)來描述裂隙表面形態(tài),這些參數(shù)涉及表面幾何形貌的各個方面,但仍沒有得到普遍的公認?由此可見,描述裂隙表面幾何特征的參數(shù)并不是越多越好?當(dāng)這些描述指標(biāo)體系中的參數(shù)多到一定程度時,整體的描述精度反而會由于體系復(fù)雜性的增加而下降?
3) 地質(zhì)統(tǒng)計參數(shù)法
在巖石裂隙表面形貌定量描述的進展中,另一值得注意的方法為地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法?該方法的基本函數(shù)一般為經(jīng)驗方差函數(shù)和半經(jīng)驗方差函數(shù),定義為振幅變化的均方值[17]?研究表明,地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的相關(guān)參數(shù),如基臺值?變程等,可以用來描述裂隙表面形態(tài)?Ferrero和Giani[19]認為方差函數(shù)和JRC之間存在某種關(guān)系,Roko等把方位角等參數(shù)引入方差函數(shù)中,得到了用極坐標(biāo)來描述粗糙節(jié)理面各向異性的方法[17]?
3. 分形幾何方法
法國數(shù)學(xué)家Mandelbrot在1973年首次提出了分維的設(shè)想,并創(chuàng)造了“分形(fractal)”這個新術(shù)語?后來Mandelbrot[20]又提出了分形幾何,用來描述自然界不規(guī)則以及雜亂無章的現(xiàn)象和行為?與歐氏幾何有著本質(zhì)不同的是,分形