一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法

1.本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法。


背景技术：

2.山区隧道层状岩体围岩常呈软硬岩层相间的互层形式，结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育，其变形破坏除受岩性及赋存环境因素影响外，还受岩层产状及岩层组合等控制。岩体通常在物理、力学属性和水力属性等方面表现出各项异性，这些参数会随着方向的变化而变化。因此，如何确定岩体的各向异性特征，从而确保岩土工程的合理设计、施工和运营，成为该研究领域的重要工作之一。
3.现有的围岩层理结构各向异性分析方法，存在较多假设，且理论体系复杂、应用效果不佳，难以广泛应用于实际工程岩体的各向异性研究中。因此，设计一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法十分有必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，便于实施，能够得到层理角度对岩体力学参数和破坏模式的影响规律，揭示其破坏机制的各向异性，为以板岩为主要工程地质背景的工程建设提供了基础。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，包括如下步骤：
7.步骤1：构建多个不同层理角度的试样岩体，并对试样岩体进行单轴压缩试验及变角剪切试验，采集应力
‑
应变曲线及破坏荷载、剪应力和正应力；
8.步骤2：根据步骤1得到的应力
‑
应变曲线，提取出多个不同层理角度的试样岩体沿z轴向加载的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比，并计算单轴抗压强度及弹性模量的各向异性度，对试验后的试样岩体进行分析，判断层理结构对岩体破裂特征的影响；
9.步骤3：根据步骤1得到的破坏荷载、剪应力和正应力，分析层理结构对岩体剪切性能的影响；
10.步骤4：构建横观各向同性本构模型，根据步骤2提取的弹性模量及泊松比，计算岩体各向异性材料参数。
11.可选的，步骤1中所述构建多个不同层理角度的试样岩体，并对试样岩体进行单轴压缩试验及变角剪切试验，具体为：
12.所述试样岩体包括圆柱形试样岩体及立方体试样岩体，所述圆柱形试样岩体及立方体试样岩体均分为5组，分别以0
°
、30
°
、45
°
、60
°
及90
°
的层理角度进行制样，每组试样岩体个数不少于3个，所述圆柱形试样岩体用于进行单轴压缩试验，采集应力
‑
应变曲线，所述立方体试样岩体用于进行变角剪切试验，采集破坏荷载、剪应力和正应力。
13.可选的，步骤2中所述试样岩体的单轴抗压强度的各向异性度r
c
为：
[0014][0015]
式中，σ
cmax
为单轴抗压强度最大值，σ
cmin
为单轴抗压强度最小值。
[0016]
可选的，步骤2中所述试样岩体的弹性模量的各向异性度r
e
为：
[0017][0018]
式中，e
max
为试样岩体在层理角度0
°
和90
°
之间弹性模量的最大值，e
min
为试样岩体在层理角度0
°
和90
°
之间弹性模量的最小值。
[0019]
可选的，步骤3中所述根据步骤1得到的破坏荷载、剪应力和正应力，分析层理结构对岩石剪切性能的影响，具体为：
[0020]
将实测的剪应力和正应力数据进行拟合，得到拟合曲线，根据拟合曲线得到不同层理角度下试样岩体的粘聚力和内摩擦角，建立层理角度与粘聚力、内摩擦角之间的联系，分析层理结构对岩石剪切性能的影响。
[0021]
可选的，步骤4中所述构建横观各向同性本构模型，根据步骤2提取的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比，计算岩体各向异性材料参数，具体为：
[0022]
建立xyz坐标系，将z轴作为纵轴方向，在坐标系中，应力
‑
应变关系为：
[0023]
ε＝sσ
[0024]
式中ε为应变张量，σ为应力张量，s为柔度矩阵，矩阵形式表示为：
[0025][0026]
式中的e1、e2、v1、v2及g
12
为岩体各向异性材料参数，其中e1和e2是分别为横观各向同性面和垂直于该平面的方向上的弹性模量，v1为岩体层理角度为90
°
时的泊松比，v2为岩体层理角度为0
°
时的泊松比，g
12
为垂直于横观各向同性平面上的剪切模量，根据步骤2中提取的弹性模量及泊松比，通过下列公式计算围岩各向异性材料参数，
[0027][0028]
式中，e
β
为加载方向与层理面夹角为β时的弹性模量。
[0029]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的山区
隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，通过进行单轴压缩和变角剪切试验，详细分析了层理角度对岩体力学参数和破坏模式的影响规律，揭示其破坏机制的各向异性，计算得到板岩的各向异性材料参数，能够对以板岩为主要工程地质背景的工程建设进行更准确的分析与判断；其中板岩的单轴抗压强度具有明显的各向异性，其单轴抗压强度随着层理角度的增加呈现出先减小后增大的规律，总体上呈现出两边高、中间低的u型变化规律；弹性模量随着层理角度的增加先减小后增大，呈现出两边高、中间低的u型变化规律；板岩的泊松比随着层理角度的增加先减小后增大，呈现两边高、中间低的u型变化规律，整体上与板岩的单轴抗压强度和弹性模量相似；板岩的粘聚力和内摩擦角随着层理角度的增加先减小后增大，呈现出与单轴抗压强度曲线类似的两头高、中间低的u型变化规律；通过对试验后的试验岩体分析，发现板岩破坏机制的各向异性与板岩不同层理角度下的破裂模式有很大关联。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本发明实施例山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法流程示意图；
[0032]
图2为单轴抗压强度随层理角度的变化图；
[0033]
图3为弹性模量和泊松比随层理角度的变化图；
[0034]
图4为摩尔库伦拟合曲线图；
[0035]
图5为粘聚力和内摩擦角随层理角度的变化图；
[0036]
图6为横观各向同性本构模型示意图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
本发明的目的是提供一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，便于实施，能够得到层理角度对岩体力学参数和破坏模式的影响规律，揭示其破坏机制的各向异性，为以板岩为主要工程地质背景的工程建设提供了基础。
[0039]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0040]
图1为发明实施例山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，包括如下步骤：
[0041]
步骤1：构建多个不同层理角度的试样岩体，并对试样岩体进行单轴压缩试验及变角剪切试验，采集应力
‑
应变曲线及破坏荷载、剪应力和正应力；
[0042]
步骤2：根据步骤1得到的应力
‑
应变曲线，提取出多个不同层理角度的试样岩体沿
z轴向加载的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比，并计算单轴抗压强度及弹性模量的各向异性度，对试验后的试样岩体进行分析，判断层理结构对岩体破裂特征的影响；
[0043]
步骤3：根据步骤1得到的破坏荷载、剪应力和正应力，分析层理结构对岩体剪切性能的影响；
[0044]
步骤4：构建横观各向同性本构模型，根据步骤2提取的弹性模量及泊松比，计算岩体各向异性材料参数。
[0045]
步骤1中所述构建多个不同层理角度的试样岩体，并对试样岩体进行单轴压缩试验及变角剪切试验，具体为：
[0046]
所述试样岩体包括圆柱形试样岩体及立方体试样岩体，所述圆柱形试样岩体及立方体试样岩体均分为5组，分别以0
°
、30
°
、45
°
、60
°
及90
°
的层理角度进行制样，每组试样岩体个数不少于3个，所述圆柱形试样岩体用于进行单轴压缩试验，采集应力
‑
应变曲线，所述立方体试样岩体用于进行变角剪切试验，采集破坏荷载、剪应力和正应力；试验所用仪器为单轴电液伺服刚性压力试验机及液压式屏显万能试验机(20
°
、30
°
、40
°
的变角板剪切夹具一套)，单轴压缩试验采用位移控制方式，以0.015mm/min的速度对试样进行加载，同时采集应力
‑
应变曲线，变角剪切试验采用应力控制方式，以100n/s的加荷速率加荷，直至试验岩体破坏，记录破坏荷载、剪应力和正应力。
[0047]
步骤2中所述试样岩体的单轴抗压强度的各向异性度r
c
为：
[0048][0049]
式中，σ
cmax
为单轴抗压强度最大值，σ
cmin
为单轴抗压强度最小值。
[0050]
步骤2中所述试样岩体的弹性模量的各向异性度r
e
为：
[0051][0052]
式中，e
max
为试样岩体在层理角度0
°
和90
°
之间弹性模量的最大值，e
min
为试样岩体在层理角度0
°
和90
°
之间弹性模量的最小值。
[0053]
步骤3中所述根据步骤1得到的破坏荷载、剪应力和正应力，分析层理结构对岩石剪切性能的影响，具体为：
[0054]
将实测的剪应力和正应力数据进行拟合，得到拟合曲线，根据拟合曲线得到不同层理角度下试样岩体的粘聚力和内摩擦角，建立层理角度与粘聚力、内摩擦角之间的联系，分析层理结构对岩石剪切性能的影响。
[0055]
步骤4中所述构建横观各向同性本构模型，根据步骤2提取的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比，计算岩体各向异性材料参数，具体为：
[0056]
建立xyz坐标系，将z轴作为纵轴方向，在坐标系中，应力
‑
应变关系为：
[0057]
ε＝sσ
[0058]
式中ε为应变张量，σ为应力张量，s为柔度矩阵，矩阵形式表示为：
[0059][0060]
式中的e1、e2、v1、v2及g
12
为岩体各向异性材料参数，其中e1和e2是分别为横观各向同性面和垂直于该平面的方向上的弹性模量，v1为岩体层理角度为90
°
时的泊松比，v2为岩体层理角度为0
°
时的泊松比，g
12
为垂直于横观各向同性平面上的剪切模量，根据步骤2中提取的弹性模量及泊松比，通过下列公式计算围岩各向异性材料参数，
[0061][0062]
式中e
β
为加载方向与层理面夹角为β时的弹性模量。
[0063]
本发明实施例选用高速公路隧道岩体，岩体为板岩，呈现板状、片状构造特征，岩体裂隙内存在少量黏土质、粉质填充物。将其根据上述方法进行处理，进行单轴压缩试验及变角剪切试验，得到板岩在不同层理角度下的单轴压缩试验和弹性模量及泊松比的结果如表1所示，
[0064]
表1板岩单轴压缩试验结果
[0065][0066]
根据表1得到在不同层理角度下板岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的变化规律。
[0067]
图2为单轴抗压强度随层理角度的变化图，如图2所示，当层理角度在0
°‑
90
°
之间变化时，板岩的单轴抗压强度随着层理角度的增加呈现出先减小后增大的规律，在0
°‑
60
°
之间时抗压强度随层理角度的增大而减小，60
°‑
90
°
之间抗压强度随层理角度的增大而增大，整体上呈现出两边高、中间低的u型变化规律，在0
°
时抗压强度最高，90
°
时次之，但相差甚微，60
°
时抗压强度降至最低，所得规律和用其他方法进行层状岩体试验得到的规律一致。当层理角度为0
°
时，板岩的单轴抗压强度最大为85.47mpa，当层理角度为60
°
时，抗压强度最小为17.65mpa，通过上述单轴抗压强度各向异性度计算公式计算得到，单轴抗压强度各向异性度r
c
＝4.84，为中等各向异性，因此可知板岩的单轴抗压强度受层理角度的影响呈现出明显的各向异性特征。
[0068]
图3为弹性模量和泊松比随层理角度的变化图，如图3所示，在板岩单轴压缩试验下，弹性模量随层理角度的增加先减小后增大，整体上来讲与板岩的单轴抗压强度变化趋势相似，也呈现出两边高、中间低的u型变化规律，在层理角度为0
°
(平行层理)时，板岩的弹性模量最大且大于层理角度为90
°
时(垂直层理)；当层理角度为60
°
时，板岩的弹性模量最
小，垂直层理易在轴向应力作用下沿层理面发生张拉劈裂，由于轴向应力垂直于层理面，平行层理在加载时层理面发生叠加反应，导致层理面被压紧，轴向应变变化相对较大。根据上述板岩的变形模量的各向异性度计算公式计算得到，r
e
＝2.5。
[0069]
与弹性模量不同，在层理角度为90
°
时板岩的泊松比达到最大值，泊松比整体趋势与板岩的单轴抗压强度和弹性模量相似，呈现两边高、中间低的u型变化规律，在低层理角度(0
°‑
30
°
)时，泊松比呈现降低趋势但幅度较小，说明此时层理各向异性较弱，在高层理角度(30
°‑
90
°
)时，泊松比整体变化幅度较大，说明此时层理各向异性较强。
[0070]
板岩的破裂模式受不同层理角度变化的影响，在力的作用下，岩体破坏模式随层理角度的变化而发生变化，呈现出不同的破坏形态，在单轴压缩试验过程中，试样岩体受外部荷载作用，经历压密阶段、弹性阶段、扩容阶段和破坏阶段，当轴向应力大于试样岩体的峰值强度后，伴随着试样岩体内部积聚能量的突然释放，试样岩体失稳破坏，表面出现明显的宏观裂纹并贯穿整个试样岩体，形成多个拉伸、剪切破坏面，其破坏形态具有明显的各向异性，对试验后的试样岩体进行分析，发现所有的试样岩体破坏都伴随着劈裂破坏与剪切破坏，但是对应于不同的倾角，其破坏模式各有异同：
[0071]
(1)β＝0
°
：劈裂与剪切破坏并存，但以剪切破坏为主，对于层理角度为0
°
试样，其裂纹几乎都是水平方向的。只有在试样的端部出现了少许的劈裂裂纹，加载方向与层理弱面正交，试样两端受摩擦阻力作用限制了其侧向变形，试样中部在较大的侧向张力作用下形成了贯穿层理弱面的张拉破坏，而该破坏又导致上下两部分试样沿着近似平行于层理弱面的方向产生明显的剪切滑移现象，使局部试样表面发生破裂；
[0072]
(2)β＝30
°
：劈裂与剪切破坏并存，在外荷载作用下，试样沿层理弱面逐渐以肉眼可见的速率持续扩展，直至破坏，形成了贯穿层理弱面的剪切破坏面，同时试样表面沿着层理弱面形成张拉破坏面，导致试样局部表面破裂，裂纹沿轴向近似于层理弱面开展；
[0073]
(3)β＝45
°
：劈裂与剪切破坏并存，在外载作用下，试样表面两侧形成沿着两个不同层理方向大角度的剪切裂缝，在加载过程中，裂缝逐渐扩展，最终形成了顺着层理弱面以及穿越了层理弱面的复合剪张破坏面，破坏面贯穿两个层理弱面并在试样中部交汇。呈现出近似y型的多剪切破坏面；
[0074]
(4)β＝60
°
：劈裂与剪切破坏并存，裂纹几乎都是沿着层理倾角方向，剪切破坏显著，在外荷载作用下，试样上下两端均沿着60
°
层理弱面形成明显的剪切破坏且上下两端均形成多个贯穿整个试样的平整破坏面，并发生平行于层理弱面的剪切滑移现象，这是因为试样层理弱面所受的剪应力大于试样本身的抗剪强度所致；
[0075]
(5)β＝90
°
：劈裂与剪切破坏并存，以劈裂破坏为主，裂纹沿竖向倾角较小且贯穿整个岩样，在外荷载作用下，试样逐渐出现平行于层理弱面的张拉裂缝，最终形成了沿层理弱面的劈裂张拉破坏，破坏的试样存在一个明显平行于层理弱面且穿越基质并贯穿整个岩样两端的张拉破裂面，由于整个试样被分成一大一小两部分，其各自的承载能力降低，所以在荷载作用下较小部分薄板状岩块儿承受的荷载大于其自身抗压强度，导致屈曲失稳从而发生顺着层理弱面的二次破裂。
[0076]
由此可知不同层理角度下板岩破裂的主要控制因素，0
°
试样主要是由层理弱面和基质体共同作用下形成的局部穿越基质和平行于层理弱面的张拉剪切破坏；30
°
试样是基质体和层理弱面为主控的局部穿越层理弱面和局部穿越层理弱面、基质的复合张拉剪切破
坏；45
°
试样是层理弱面和基质体为主控的整体沿层理弱面的剪切破坏，局部穿越层理弱面、基质体的复合张拉剪切破坏；60
°
试样是层理弱面为主控的整体沿层理弱面的剪切滑移破坏；90
°
试样是层理弱面为主控的整体沿层理弱面和局部穿越层理弱面的劈裂张拉破坏。从以上分析可以看出，任何一种不同层理角度下的岩样破坏机制，层理弱面都起到了主导作用，所以，层理弱面成了影响板岩试样破坏机制各向异性的关键因素。
[0077]
板岩的变角剪切试验结果如表2所示，
[0078]
表2板岩变角剪切试验结果
[0079][0080]
根据表2实测的正应力与剪应力的数据，进行拟合，得到摩尔库伦拟合曲线，图4为摩尔库伦拟合曲线图，如图4所示，摩尔库伦拟合曲线整体拟合度非常高，根据图4获得不同层理角度下的粘聚力和内摩擦角，其结果如表3所示。
[0081]
表3不同层理角度下粘聚力和内摩擦角
[0082]
[0083][0084]
根据不同层理角度下的粘聚力和内摩擦角建立层理角度与粘聚力和内摩擦角之间的联系，如图5所示，随着层理角度的增加，板岩岩样的粘聚力和内摩擦角先减小后增大，呈现出与抗压强度曲线类似的两头高、中间低的u型变化规律，当层理角度为0
°
和90
°
时，粘聚力和内摩擦角相对较大，当层理角度为60
°
时，粘聚力和内摩擦角相对较小；从破坏形式上看，层理角度为0
°
时，呈现出穿越软弱层理面的张拉和沿层理面的剪切滑移复合破坏；层理角度为30
°
时，发生顺软弱层理面和贯穿层理面的剪切破坏；层理角度为60
°
时，发生沿层理弱面的剪切滑移破坏，端部呈现穿越基质的现象；层理角度为90
°
时，呈现出沿软弱层理面发劈裂张拉破坏的状态，破坏面较为整齐。
[0085]
岩体通常在物理、力学属性和水力属性等方面表现出各项异性，这些参数会随着方向的变化而变化。板岩虽然在不同层理角度下表现出不同的力学特性，但是在实际工程应用中通常被视为横观各向同性。如图6所示，根据上述方法计算板岩各向异性材料参数，板岩各向异性材料参数用于描述板岩的变形性能，计算时，除了层理方向为0
°
和90
°
的试样岩体外，至少还需要任意一个层理角度的试样岩体才能进行计算，选用层理方向为30
°
的试样岩体，通过计算公式计算得到板岩各向异性材料参数如表4所示，
[0086]
表4板岩各向异性材料参数
[0087]
e1/gpae2/gpav1v2g
12
/gpa10.5812.970.1780.0962.038
[0088]
板岩各向异性材料参数确定后，能够对以板岩为主要工程地质背景的工程建设如隧道开挖、板岩地层的地应力、地层的冲击倾向性等造成的岩层应力状态变化以及岩体的破坏变形等工程问题进行更准确的分析与判断。
[0089]
本发明提供的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，通过进行单轴压缩和变角剪切试验，详细分析了层理角度对岩体力学参数和破坏模式的影响规律，揭示其破坏机制的各向异性，计算得到板岩的各向异性材料参数，能够对以板岩为主要工程地质背景的工程建设进行更准确的分析与判断；板岩的单轴抗压强度具有明显的各向异性，其单轴抗压强度随着层理角度的增加呈现出先减小后增大的规律，总体上呈现出两边高、中间低的u型变化规律；弹性模量随着层理角度的增加先减小后增大，呈现出两边高、中间低的u型变化规律；板岩的泊松比随着层理角度的增加先减小后增大，呈现两边高、中间低的u型变化规律，整体上与板岩的单轴抗压强度和弹性模量相似；板岩的粘聚力和内摩擦角随着层理角度的增加先减小后增大，呈现出与单轴抗压强度曲线类似的两头高、中间低的u型变化规律；通过对试验后的试验岩体分析，发现板岩破坏机制的各向异性与板岩不同层理角度
下的破裂模式有很大关联。
[0090]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。