典型复合层状岩体结构面剪切破坏演化规律分析

鄂西地区出露的二叠纪、三叠纪等地层广泛存在着不同岩性构成的复合层状岩体，尤其是由长江和清江流域长期冲刷切割作用形成的高陡复合层状岩质边坡稳定性问题亟需解决。鉴于复合层状岩体的研究现状及存在的问题，在现有研究基础上，选取鄂西典型复合层状岩体作为研究对象，分析了复合层状岩体空间分布特点与岩体结构特征，基于单轴试验与三维激光扫描获取了岩体基本力学性质与天然结构面三维形态特征，建立了数值模型；基于室内直剪试验与数值试验从宏细观角度揭示了复合层状岩体结构面剪切破坏演化规律；利用相似模拟理论建立加锚复合层状岩体结构面模型，基于室内试验与数值试验对比分析，分析了锚固体系失效模式，探讨了锚杆变形与壁岩强度关系，划分了加锚复合层状岩体结构面剪切破坏阶段，从宏细观角度揭示了加锚复合层状岩体结构面锚固机理
第一章 绪 论

1.1 选题目的及意义

鄂西地区出露的二叠纪、三叠纪地层主要为沉积相的层状岩体[1-2]，其中复合层状结构岩质边坡分布广泛。复合层状结构岩质边坡由不同性质层状岩体组成从而构成具有明显差异特征岩体，由此导致边坡稳定性问题突出。该区域在长江和清江等河流长期冲刷切割作用下形成了大量高陡边坡，加之近年来国家战略开发水电等清洁能源而形成了大量人工高陡边坡，出露的复合层状岩质边坡的稳定性问题亟需解决。天然岩体是由岩石和各种各样的结构面如裂隙、节理、层面、断层等组成的复杂二元结构体，而结构面的存在往往是造成层状边坡滑移等重大地质灾害的本质原因[3]。在长期的地质历史过程中，地球内外地质营力促使岩体结构及力学性质发生变化。大多边坡的失稳破坏被认为是在岩体内部存在着结构面，如断层、层面等；或者被认为是具有软弱性物质，如软弱岩层、夹泥层等。在一些不利因素的促进作用下，极其容易沿着结构面或者软弱岩层发生滑动破坏而造成重大灾难。1963 年 10 月 9 日发生在意大利瓦伊昂水库大坝附近的山体滑坡，共有约 2 亿多立方米的岩体下滑并充填水库，造成了严重的事故[4]。而此次灾难发生的原因，Müller 等学者[4]认为可能存在深部滑动；而依托事后补充勘查数据显示在地面以下100-200m 的处存在一个层厚为 5-15cm 的黏土层，认为滑坡是沿着该层黏土层在库水位升高的过程中发生的[5]，另外也有学者认为是沿着深部的断层形成的滑坡[6]。2009 年 6 月 5 日，重庆市武隆鸡尾山发生重大地质灾害，大型岩质滑坡共造成 74人死亡、8 人受伤以及巨大财产损失。冯振等学者[7-9]认为其破坏是由于地下水等因素使得软弱夹层软化，驱动块体的下滑力增大而最终发生沿强度较低的软弱结构面发生剪切破坏。综上，软弱结构面对岩体的稳定性具有控制作用。因此，开展由不同岩性岩体组成的典型复合层状岩体的物理力学性质研究意义重大，可为复合层状结构岩质边坡潜在地质灾害治理提供参考建议。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 结构面剪切特性研究现状

目前，国内外学者基于岩体结构面开展了大量研究，主要集中于峰值抗剪强度、粗糙度、变形特征等方面。在结构面剪切强度方面，基于锯齿形结构面力学性质探讨，在 1966 年 Patton[17]提出了双线性结构面剪切强度模型，该峰值剪切强度公式简洁明了。Ladanyi 和Archambault[18-19]在 1969 年基于能量准则提出了针对非规则节理形状的结构面强度准则，此后在大量锯齿形结构面直剪试验基础上，简化了公式使其运用效率更高。Jaeger[20]于 1971 年提出了剪断效应模型。Barton 等学者[21-22]基于大量的结构面直剪试验，提出了 JRC-JCS (Joint Roughness Coefficient-Joint Compression

Strength)结构面剪切强度模型，用于计算结构面抗剪强度或反算结构面 JRC。JRC-JCS 模型受到了学术界和工程界的广泛认可且应用度高，同时，该方法也得到了国际岩石力学学会（ISRM）的认可[23]。Kulatilake 等学者[24-26]利用多个参数表征结构面粗糙度，并构建了适应于低法向应力下的剪切强度模型，后续又进行了完善。Zhao[27]在 1997 年提出了 JRC-JMC（Joint Matching Coefficient）剪切强度模型。Amadei 等学者[28]于 1998 年提出了一个适用于多种边界条件的本构模型。Grasselli 等学者[29-31]在大量的直剪试验基础上，节理面微元有效剪切倾角概念被提出来，并建立了倾角与其对应接触面积的统计函数关系，进而建立了峰值强度公式。随后，夏才初和唐志成等[32-33]基于 Grasselli 等学者[29-31]的研究结果，进一步明确了各参数的物理意义并建立了峰值抗剪强度公式。

第二章 复合层状岩体结构面剪切破坏演化规律室内试验研究

2.1 概 述

处于复杂地质环境中的工程岩体往往存在着大量的裂隙、节理、断层等各种类型的结构面，这些不连续面在很大程度上决定了工程岩体的物理力学性质，从而影响着工程的稳定性。历史上大量的岩体失稳均是沿着软弱结构面发生滑动破坏而造成的。目前，学者们对岩体结构面的研究主要集中于壁岩岩性相同的结构面，而对壁岩岩性不同的复合层状岩体结构面的研究较少。在沉积岩中，往往会由于沉积环境的改变而形成物理力学性质相差较大的两种或多种岩体组合而成的复合层状岩体。复合层状岩体结构面的剪切性质与破坏规律与一般结构面有较大差异。本章首先对便携式直剪仪进行改进，研发一种安装多尺寸不规则结构面试样的固定装置，缩短试验周期及降低材料浪费，达到环保快速试验及安装多尺寸结构面试样的目的。然后，基于野外采集的复合层状岩体结构面试样利用三维激光扫描仪采集结构面三维形态数据，重构三维数值模型用以数值模拟研究。最后开展复合层状岩体结构面壁岩的单轴试验，探明不同性质岩石的物理力学性质；然后分别开展不同法向应力和不同剪切次数条件下三种不同岩性组合的复合层状岩体结构面剪切试验，探讨不同岩性组合的复合层状岩体结构面剪切力学特性及剪切破坏演化规律。

2.2 研究区区域地质环境条件

2.2.1 鄂西地区区域地质背景

鄂西地形地貌的主要特点为：从西部的高山到东部的江汉平原形成了西高东低的总体特征，且以层状地层为重要基本特征，由长江及清江长期作用而形成了深切峡谷的地貌单元，地形切割破碎。该区属于扬子准台地的一部分，大部分地区主要以浅海相沉积为主，广泛分布着泥盆系至三叠系地层，如图 2.1 所示。该区位于新华夏系第三隆起带内，主要构造有：茶山~屯堡复背斜、黄岩路向斜、白果坝背斜、白至~第三系建始断陷盆地、建始~屯堡大断裂、白杨坪~磨刀石向斜、板场~崔坝复向斜。

第三章 PFC 数值模型参数及剪切应力监测方法 ................................ 38

3.1 概 述 ............................................................................................................... 38

3.2 颗粒流基本理论 ............................................................................................... 38

3.3 岩体结构面数值模型细观参数校核 ............................................................... 43

3.4 PFC 数值模拟直剪试验剪切应力监测方法 ................................................... 54

3.5 本章小结 ........................................................................................................... 67

第四章 复合层状岩体结构面剪切破坏演化规律数值试验研究 ............. 69

4.1 概 述 ............................................................................................................... 69

4.2 复合层状岩体结构面数值模型建立及与室内试验结果对比分析 ............... 69

4.3 复合层状岩体结构面数值模型剪切演化特征分析 ....................................... 76

4.4 本章小结 ........................................................................................................... 83

第五章 加锚复合层状岩体结构面锚固机理室内模型试验研究 ............. 85

5.1 概 述 ............................................................................................................... 85

5.2 加锚复合层状岩体结构面模型试验方案 ....................................................... 85

5.3 复合层状岩体结构面室内模型试验 ............................................................... 91

5.4 加锚复合层状岩体结构面室内模型试验 ....................................................... 93

5.5 本章小结 ......................................................................................................... 100

第六章 加锚复合层状岩体结构面锚固机理数值剪切试验研究 ........... 101

6.1 概 述 ............................................................................................................. 101

6.2 加锚复合层状岩体结构面数值试验方案 ..................................................... 101

6.3 加锚复合层状岩体结构面数值试验结果 ..................................................... 105

6.4 加锚复合层状岩体结构面剪切演化特征 ..................................................... 108

第七章 锚固工程边坡稳定性研究 ....................................................... 132

7.1 典型复合层状边坡工程地质条件 ................................................................. 132

7.2 高边坡治理设计方案 ..................................................................................... 135

7.3 锚固高边坡稳定性评价 ................................................................................. 136

7.4 本章小结 ......................................................................................................... 141

第七章 锚固工程边坡稳定性研究

水布垭水利枢纽工程位于湖北省恩施州巴东县南部，是长江的支流-清江中游河段重要水利枢纽工程。其中，马崖高边坡稳定性是本工程成功建设及后期正常运营的关键技术问题之一，是坝址区地质结构和受力条件最复杂，自然稳定状况最差的高陡边坡。该边坡在剖面上呈现出上部为上硬下软，中部为软硬互层及底部为软岩的组合结构特征，为典型复合层状结构岩质边坡。根据前文研究可知，复合层状结构岩体中不仅仅由结构面控制岩体强度，岩性不一的壁岩也在较大程度上削弱了岩体强度。在加锚复合层状结构岩体中锚杆提高了岩体强度，然而岩性较弱一侧壁岩在很大程度上降低了锚固体强度。那么针对复合层状结构类型的岩质边坡稳定性分析较为重要，尤其是针对水电工程高边坡长期稳定性研究尤为重要。

7.1 典型复合层状边坡工程地质条件

7.1.1 地形地貌

马崖高陡边坡是指大坝下游右岸 F2 与 F3 断层之间夹持的一段自然高陡边坡，边坡向清江呈“┌”形突出，顺清江流向坡面走向为 NE30°~NW290°~NW358°，分别对应西面坡、正面坡与东面坡，如图 7.1 所示。边坡坡顶高程约 546m，坡脚高程约 190m，最大坡高约 360m。边坡坡度与边坡岩性及岩层与边坡走向线的关系有关。西面坡为视顺向坡段，高程 270m~230m 以下和 400m 以上分别为由栖霞组 P1q1 ~P1q5和茅口组 P1m厚层灰岩形成的陡崖，高程 270m~400m 之间则为由栖霞组 P1q6 ~P1q15 软硬相间的岩层形成的中缓坡形，坡角 40°~45°。正面及东侧坡均为视逆向坡，高程 210m~340m 以下为由写经寺组 D3x 页岩形成的缓坡，坡度 20°~25°；缓坡段以上为由黄龙组 C2h，马鞍组 P1ma、栖霞组 P1q、茅口组 P1m 等组成的灰岩坡段，除沿 P1q6、P1q8、P1q10、P1q13 等软岩段形成宽 3m~5m 的缓坡台面，下部 P1q3、P1q1、P1ma因风化淘蚀局部深1m~2.5m 以外，大部分呈 70°~80°陡崖。

第八章 结论与展望

鄂西地区出露的二叠纪、三叠纪等地层广泛存在着不同岩性构成的复合层状岩体，尤其是由长江和清江流域长期冲刷切割作用形成的高陡复合层状岩质边坡稳定性问题亟需解决。鉴于复合层状岩体的研究现状及存在的问题，在现有研究基础上，选取鄂西典型复合层状岩体作为研究对象，分析了复合层状岩体空间分布特点与岩体结构特征，基于单轴试验与三维激光扫描获取了岩体基本力学性质与天然结构面三维形态特征，建立了数值模型；基于室内直剪试验与数值试验从宏细观角度揭示了复合层状岩体结构面剪切破坏演化规律；利用相似模拟理论建立加锚复合层状岩体结构面模型，基于室内试验与数值试验对比分析，分析了锚固体系失效模式，探讨了锚杆变形与壁岩强度关系，划分了加锚复合层状岩体结构面剪切破坏阶段，从宏细观角度揭示了加锚复合层状岩体结构面锚固机理。本文获得的主要结论如下：

（1）基于 PFC 数值试验的基础研究

①利用 BP 神经网络通过对 76 组参数的学习及 5 组参数的验证对比，建立了4-5-6 的神经网络模型，用于对结构面壁岩参数校核。②利用粘结强度清除法建立的结构面模型中，峰值强度与法向应力呈正相关线性关系，峰值强度与μ值之间呈现正相关。颗粒摩擦系数较小时，峰值抗剪强度对该值表现的更为敏感。③利用使用 Smooth-joint 模型模拟结构面时，随着细观参数 sj_kn 增高，结构面剪切强度变化不明显，而结构面法向刚度随之增高并呈现线性关系；随着细观参数 sj_ks 增高，结构面剪切刚度呈现非线性增长，而对剪切强度影响较小；随着细观参数 sj_fric 增高，结构面剪切强度呈现线性增长，细观参数 sj_fric 等于 tanφ。④基于 PFC 数值试验提出了一种监测剪切应力新方法，基于力的平衡原理，通过监测数值模型中左右墙上的合力并除以结构面面积作为剪切应力。新方法精度较高，能够满足试验要求。尤其在粗糙度系数较低或法向应力较低的情况下新方法比传统方法精度更高。