第1章引言
歷史上的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jí),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(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸(達(dá)米級(jí)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(zhǎng),其他兩個(gè)方向均相對(duì)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(chǔ)存和運(yùn)移的場(chǎng)所,對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究的必要性體現(xiàn)在許多應(yīng)用學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展的需求和一些重大的急需解決的實(shí)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(guó)際上成為研究熱點(diǎn)的高放射性核廢料地下儲(chǔ)存等?
(3) 微裂隙(microfissures)?若巖石中的空隙在一個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的尺寸,且最長(zhǎng)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(jī)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(duì)巖石的強(qiáng)度有重大影響?應(yīng)力環(huán)境對(duì)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(dòng)問題以及污染物隨著水流的運(yùn)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(duì)周圍裂隙巖體產(chǎn)生較大的擾動(dòng),改變其應(yīng)力和位移場(chǎng)的分布情況,圍巖裂隙中的滲流和溶質(zhì)運(yùn)移特征也會(huì)因此發(fā)生改變,而這對(duì)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(qiáng)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(chǎng)受應(yīng)力環(huán)境的影響,而滲流場(chǎng)的變化反過來又對(duì)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響,這種相互影響稱為應(yīng)力滲流耦合?滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互耦合是巖體力學(xué)中的一個(gè)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(chǔ)存工程?在當(dāng)前日益增長(zhǎng)的環(huán)境控制條件下,流入開挖區(qū)域水量的估計(jì)和污染礦水的排泄程序都是地下工程的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)時(shí)期的重要影響因素;在核廢料儲(chǔ)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(dòng)機(jī)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(qiáng)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(cuò)動(dòng)和離層等變形?為限制裂隙和巖石變形?提高巖體強(qiáng)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(hù)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(duì)錨桿產(chǎn)生剪切作用,錨桿同時(shí)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(yuǎn)大于巖體的變形,但目前錨桿計(jì)算模型尚不能有效反映這一特性?本書對(duì)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(jìn)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(jī)理研究綜述
在水利水電?石油開采和核廢料儲(chǔ)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(yuǎn)小于巖體中節(jié)理裂隙,而且裂隙的水力傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(cè)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(duì)單一裂隙的水力特性進(jìn)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(yùn)移行為?人們很早就開始對(duì)裂隙的剪切滲流耦合機(jī)理以及介質(zhì)中地下水溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行了探索研究,并且在試驗(yàn)研究?理論分析和計(jì)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(cuò)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(yùn)移機(jī)理取決于單裂隙中溶質(zhì)運(yùn)移特點(diǎn),因此研究擾動(dòng)作用下裂隙網(wǎng)絡(luò)中水流和溶質(zhì)運(yùn)移特性,應(yīng)以研究單裂隙在剪切過程中地下水流動(dòng)狀態(tài)和溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理為基礎(chǔ),探索裂隙介質(zhì)中滲透性?對(duì)流?彌散?吸附等特征?地下水流動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)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(yùn)移成果多數(shù)是基于光滑平行板裂隙的理想簡(jiǎn)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(rèn)為裂隙水流與溶質(zhì)運(yùn)移研究進(jìn)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(gè)粗糙裂隙中水流與溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)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(yùn)移研究主要針對(duì)剪切作用影響下裂隙中水流與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律以及模擬方法,研究?jī)?nèi)容可以歸納為以下幾個(gè)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(yùn)移;⑤水流與溶質(zhì)運(yùn)移之間的相互關(guān)系?研究粗糙裂隙中溶質(zhì)運(yùn)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(duì)節(jié)理面的剪切作用?流體流動(dòng)的曲折性和溶質(zhì)運(yùn)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(jìn)而確定合理的表面形態(tài)參數(shù)對(duì)研究裂隙中流動(dòng)特性以及建立形態(tài)特征參數(shù)與流動(dòng)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(cè)量方式和實(shí)際應(yīng)用而異?總的來說,人們對(duì)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(jì)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(gè)凸起之間的作用機(jī)理得到整個(gè)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(zhǎng)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(jiǎn)化為由兩個(gè)相互平行的板面組成,這是最簡(jiǎn)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(yuǎn),所以該假設(shè)會(huì)使計(jì)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(jiǎn)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(duì)鋸齒形表面進(jìn)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(jiǎn)化為球形凸起,并推導(dǎo)出兩個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)度模型?該形貌假設(shè)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)長(zhǎng)方形尺度選擇合適時(shí),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(jì)學(xué)方法
統(tǒng)計(jì)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(jì)學(xué)方法有粗糙度系數(shù)法?統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)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(duì)于平面的波動(dòng)起伏程度的指標(biāo),對(duì)裂隙中流體流動(dòng)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(rèn)可,至今該系數(shù)仍被廣泛應(yīng)用于各種工程實(shí)際中?1976年Barton和Choubey[13]通過對(duì)136條節(jié)理面形貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jí),相應(yīng)的JRC取值為0~20?在進(jìn)行實(shí)際的粗糙度評(píng)價(jià)時(shí),可將相同尺寸的被觀測(cè)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(rèn)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(rèn)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(jǐn)性,可能引起預(yù)測(cè)的節(jié)理裂隙力學(xué)行為出現(xiàn)嚴(yán)重偏差?
2) 統(tǒng)計(jì)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(jì)學(xué)參數(shù)或者函數(shù)來描述?常見的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)通常包括節(jié)理凸臺(tái)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(tái)高度變化情況的參數(shù),如中線均值C?凸臺(tái)高度的均方值M?均方根R和絕對(duì)粗糙度k?
(2) 斜率參數(shù)?主要是反映裂隙面凸臺(tái)形狀的參數(shù),如凸臺(tái)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(shí)涉及振幅變化和凸臺(tái)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(jì)學(xué)描述參數(shù)多達(dá)十幾個(gè),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(shí)際情況卻遠(yuǎn)非如此?Bahat[18]引入14個(gè)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(gè)方面,但仍沒有得到普遍的公認(rèn)?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(shí),整體的描述精度反而會(huì)由于體系復(fù)雜性的增加而下降?
3) 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)法
在巖石裂隙表面形貌定量描述的進(jìn)展中,另一值得注意的方法為地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法?該方法的基本函數(shù)一般為經(jīng)驗(yàn)方差函數(shù)和半經(jīng)驗(yàn)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(jì)學(xué)的相關(guān)參數(shù),如基臺(tái)值?變程等,可以用來描述裂隙表面形態(tài)?Ferrero和Giani[19]認(rèn)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(guó)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(gè)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