节理网络范文

节理网络范文（精选8篇）

节理网络 第1篇

天然岩体中的随机节理网络计算机模拟主要是根据节理的走向、倾角和迹长等几何参数的宏观统计规律[8],基于Monte Carlo方法自动生成随机节理网络模型[10],然后在节理网络上进行有限元网格剖分[11,12],并进一步通过建立适当的数值模型来计算岩体力学参数[13,14]。针对节理岩体的数值模拟方法,对于含有较少节理的岩体主要采用节理单元法[15],而对于含有节理数量众多的岩体则主要采用等效连续模型[16]、离散元法[17]、非连续变形分析法[10]等,为节理岩体的力学分析提供了十分有效的工具。

本文基于MATLAB函数编制了节理网络模拟程序,并运用distmesh2d程序[18,19]实现了节理网络上的有限元网格自动剖分,最后通过算例分析了节理岩体力学参数的尺寸效应,验证了程序的可行性和有效性,为进一步研究节理岩体的变形和强度特性以及本构关系提供了基础。

1 基于MATLAB函数的随机节理网络自动生成

1.1 岩体二维随机节理网络生成方法

大量现场数据的统计结果表明,随机分布的节理是可以用某种概率统计规律表示的。在已知随机节理几何参数的统计规律后,可以根据其概率分布函数建立节理的数学模型,用Monte Carlo法生产一系列代替倾角、迹长、间距、倾向等节理几何参数的随机数,从而利用计算机模拟技术来生成节理岩体的随机网络图。二维节理岩体网络主要生成步骤可以概括为[10,13]:

(1)在选取的计算区域内,估算该区域内每组节理的条数N:

式中:S为计算区域的面积;d为节理间距的平均值;l为节理迹长的平均值。

(2)根据节理中心点的分布规律,利用随机数生成函数得到N条节理的中心点坐标;然后再由节理方位和迹长参数确定相应节理的终点坐标。

(3)根据N条节理的起点和终点坐标,得到N条随机节理。

(4)检查每条节理是否超出了计算区域的边界,利用布尔运算截掉超出计算区域边界的部分,并更新节理的起点和终点坐标。

(5)利用布尔运算把区域外的随机节理除去。

(6)对每组节理重复步骤(1)~(5)。

1.2 随机节理网络模拟的MATLAB实现方法

基于1.1节给出的随机节理网络生成方法,利用MAT-LAB函数实现的具体过程可以简要描述为:

(1)首先确定计算域内的节理组数M。

(2)根据每组节理的几何参数统计分布规律,按式(1)确定计算域内各组节理的条数N,利用随机函数random()[20]分别生成各组节理的中心点、方向角和迹长。

(3)根据几何关系确定所有节理的起点和终点坐标,并将其存放入节理数组Joins()。

(4)自定义函数Isintersect()判断计算域中的节理是否相交。若节理相交,则将两相交节理在交点处断开并生成新的节理,如图1所示,节理(1)、(2)和(3)为按照节理几何参数统计规律自动生成的节理,而1~7为相交节理进行处理后重新编号的节理。循环计算域内所有节理,重新获得计算域内的所有节理集合。

(5)用函数plot2d[20]绘制计算域内的节理网络图。

1.3 节理网络有限元网格自动剖分

采用有限元法研究节理岩体的变形和强度特征时,就必需在已生成的随机节理网络图上进行有限元网格剖分。一般来说,当计算分析域内的节理数量较少时,往往可以采用人工方法处理岩体中的节理单元。但当计算域内的节理数目较多时,再由人工方法来准备数据就显得费事、效率低下,这种情况下如能借助于自动网格生成器就会大大提高计算效率。目前有限元网格自动生成方法有很多,其中应用比较广泛的方法是行波法(Advancing Front Method)和Delaunay三角分解法(Delaunay Triangulation)[11,12,13,21,22]。为了采用有限元方法分析节理岩体的力学性质,在1.2节自动生成随机节理网络图的基础上,尝试采用distmesh2d[18,19]程序来实现节理网络图上的有限元网格自动生成。

注:戴圈数字代表原节理号;数字代表相交处理后的节理号。

首先,基于1.2节生成的计算域内的节理网络图,根据预先设置的单元网格尺寸,利用MATLAB中的linspace函数将节理和边界离散成散点数据;然后运用unique函数判断计算域内代表节理的所有线段的端点、离散点是否有重复,若有,则进行删除;最后由distmesh2d函数对计算域进行有限元网格剖分。该函数的调用格式为:function[p,t]=distmesh2d(fd,fh,h0,bbox,pfix,varargin),其中,输出参数p为网格点坐标,t为输出网格任意三角形的3个顶点。输入参数的具体说明可参见文献[18]。

1.4 随机节理网络模拟实例

基于上述随机节理网络模拟过程,编制了MATLAB程序。图2给出了节理网络生成及有限元网格自动剖分的程序流程图。为了检验节理网络的实际模拟效果,本文分别选取1组节理和2组节理进行了节理网络模拟,节理几何参数如表1所示[10],生成的节理网络如图3所示,相应的有限元网格如图4所示,算例的模型尺寸为14m×14m。

2 节理岩体力学参数REV估算

节理岩体的变形和强度参数往往会受到节理分布特征的影响,由于在实际工程中也很难直接通过物理试验方法获得节理岩体力学参数,目前采用数值分析方法来研究节理岩体的力学特性已成为一种行之有效的手段之一。这里根据给出的节理几何参数和网格剖分方法建立了某节理岩体的有限元数值分析模型,详细研究了节理岩体弹性模量尺寸效应问题。根据表2中给出的节理几何参数,建立了模型尺寸从2m×2m到14m×14m变化的节理网络图,共计有7组数值试验的试件。为使计算结果具有一定的代表性,每组数值试件至少选取12个样本进行计算。计算时所选取的完整岩石和节理的力学性质参数如表2所示。图5和图6分别给出了含有1组节理的数值试件在单轴加载条件下获得的应力应变曲线。对比图5和图6不难看出,随着模型尺寸的增大,应力应变曲线逐渐由相对分散趋于一致,这与文献[23]的结果相吻合。

根据有限元计算获得的数值试件的应力~应变曲线特征,通过线性拟合方法计算了不同尺寸条件下的弹性模量值。图7给出了分别含有1组节理和2组节理情况下的弹性模量随模型尺寸的变化关系。从图7中可以看出,含单组节理的情况下,弹性模量REV接近14m×14m,约为平均迹长的2.4倍,这与REV为典型节理迹长的3倍的结论接近[13,24];含2组节理的情况下,从图7不难看出其弹性模量REV要大于含单组节理的情况。

3 结语

论如何上出一节理想的体育课 第2篇

一、打破常规教学，树立新的教学理念

为什么青少年不在青春之期保护青春，却在古稀之年才追寻失去的年华呢？我认为造成这种局面的原因就是我们现在所设置的那种古典式的体育课，学校给了体育教师一份年度计划表，体育教师只好如法炮制一份课时计划表，这样体育在学生的头脑中印下了一个准备部分、一个基本部分、一个结束部分，这种三段式的教学给学生的体育锻炼背上了沉重的枷锁。对于学生来说，他们的性格决定了他们好玩和对任何新生事物的好奇性，不喜欢墨守成规。面对教师一套驯兽式的程序，不会给学生轻松、快乐，这样一来，不但使学生厌倦上体育课，而且会使学生们反感体育锻炼。怎样才能改变这种恶性循环呢？我认为最关键的是第一堂体育课留给学生的印象，一堂好的体育课会使学生从快乐中体味到上体育课的乐趣，从而树立积极锻炼身体的信念。

二、因人而异，注重学生个性发展

首先，要根据学生的爱好进行分组。把全班分成若干个兴趣小组进行不同项目的练习。按兴趣上课，使学生的特长从小就有所发展，体育教师针对个人的特长集中、系统、全面的训练培养体育骨干。其次，按性别分组。针对性别的差异，选择不同的授课内容。再次，要根据学生的身体素质帮助学生选择适合自己练习的项目，并鼓励他们锲而不舍地坚持锻炼，树立“终身体育”的信念。最后，一定要对班级中有“病变”的学生了如指掌，根据他们的病情帮助其制定科学合理的运动处方。在教师的指导下进行锻炼，防止盲目的锻炼或不去锻炼进而使病情加重。力争不让一名学生掉队。

三、科学锻炼，注意安全

伴随体育运动，不可避免的是意外伤害，因此科学锻炼是非常重要的。我认为在进行体育课的过程中还应该将体育卫生保健知识也贯穿其中，让学生在锻炼身体的过程中对自己有所了解。明确自己参与的体育锻炼对自己哪些部位有利，使学生有目标地参加锻炼。这样一来，他们能知道过量的运动带来伤害，所以在锻炼中提高自我保护意识。也懂得合理的运动负荷会使自己更加强健。从小建立一个科学锻炼的概念，减少学生对体育运动的恐惧感，有利于“终身体育”地开展。

四、有始有终，注重“放松活动”

体育教师还应该注重授课结束后的放松活动，我认为这是一堂课的一个重要环节，放松活动做得充分，不但可以使学生的身心得到放松，而且可以使学生真正体会“快乐体育”。体育教师在选择放松活动内容时，应将那些学生易学又有利于放松的游戏或韵律体操教给他们，让这堂课在快乐中开始在轻松中结束。

节理岩体强度及其破坏机制研究 第3篇

1 节理岩体岩桥断裂扩展机制细观模拟

前人采用室内试验和断裂力学理论, 细致地讨论了裂缝的起裂点、起裂角及起裂强度[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12] 等。断裂力学所模拟的裂缝是平直的, 使得大多数模型对于岩石中存在破坏模式或者多种破裂路线的不均一性的现象, 不能得到合理的描述。矿柱中断续节理的压剪断裂破坏情况见图1。

1.1 颗粒流模型的建立

试件的长和宽分别取40 mm和50 mm, 在试样内部有岩桥倾角不同、顺向排列错开式拉雁行裂纹, 如图2所示。颗粒流模型最小粒径为0.17 mm, 粒径比1.66, 颗粒间连接强度为200 MPa, 颗粒个数为10 460。

采用1 mm厚度颗粒连接强度为0, 摩擦因数设为0的颗粒群模拟试样中的原始裂隙, 裂隙的倾角约为45°。通过平面应变压缩试验模拟不同倾角下的岩桥断裂模式。

1.2 岩桥压剪破坏颗粒流模拟

岩桥的贯通方式有3种:剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂纹扩展破坏。岩桥剪切破坏首先在岩石裂隙的两端产生翼裂纹, 然后次生裂纹在两个相邻端开始发展, 并且相向生长, 最终导致岩桥贯通, 可见岩桥的贯通是由于次生裂纹的贯通引起的;拉剪复合破坏的特点是首先在初始裂隙端部产生翼裂纹, 翼裂纹产生以后, 在岩桥内部产生一个张拉破坏的次生裂纹, 然后与端部产生的次生裂纹连贯起来使岩桥破坏;翼裂纹破坏则是翼裂纹扩展引起的岩桥贯通。

2 节理岩体强度及其破坏机制研究

2.1 节理岩体强度理论研究

Jeager[13] 等人利用单弱面理论, 通过分析结构面与主平面之间夹角的变化情况, 来分析岩体强度及破坏情况, 可以较好地解释结构面的作用。

Hoek和Brown[14] 提出了用岩体质量分类指标RMR来确定材料常数m、s的经验方法, 为了与工程实践中广泛应用的Mohr-Coulomb强度准则接轨, 还提出了反算岩体Mohr-Coulomb强度参数的公式。地质强度指标法[15,16] 成为确定节理岩体强度参数的一个通用方法。但是, Hoek-Brown经验准则并没有考虑节理方向、密度及节理连通率对岩体强度的影响。

2.2 含单结构面岩体破坏机制研究

2.2.1 含单结构面岩体破坏模式

对含有一组结构面的岩石试样采用颗粒流进行单轴压缩试验, 结构面倾角从0°到90°变化, 不同倾角结构面的破坏模式见图3。研究结果表明, 在压缩状态下, 岩石试样破坏有3种情况:一是横切结构面, 剪断完整岩石发生破坏;二是沿着结构面产生滑动破坏;三是剪切完整岩石和沿结构面发生复合破坏。

2.2.2 结构面方位对强度的影响

岩体中结构面的存在, 使得岩体具有高度的各向异性。含单一不同倾角结构面岩体的单轴强度曲线见图4。在结构面倾角β=63.5°时, 岩样的强度在理论上达到最小, 只能达到结构面的强度。可见, 含单一结构面岩体具有强烈的各向异性。

2.2.3 围压对岩体破坏机制的影响

当有围压作用时, 围压使结构面上下岩体压实, 结构面强度增大, 使原本可能发生沿结构面破坏的岩样产生剪切破坏。如图5所示, 结构面倾角为30°, 在没有围压作用时, 产生了复合破坏;当围压增加到15 MPa时, 则发生了剪切破坏。

2.2.4 结构面密度对岩体破坏机制及强度的影响

数值模拟结果表明, 当结构面密度较大时, 容易发生结构面之间完整岩石的劈裂破坏, 见图6。结构面密度对剪切破坏岩样的强度有一定的影响, 但影响较小, 对沿结构面滑动破坏的岩样强度影响甚微。以30°结构面为例, 含单条结构面岩样的强度为43 MPa;当结构面增加到3条, 其强度为39 MPa;结构条数为6时, 强度为37 MPa。

2.3 含两组结构面破坏机制研究

如图7所示, 含2组结构面的岩样破坏主要有3种模式:第1种是结构面之间的近平行于最大压缩应力的劈裂破坏;第2种是沿着结构面滑动破坏;第3种是劈裂破坏和沿结构面滑动的耦合破坏。

模拟结果表明:含两组结构面岩样破坏机制受结构面倾角影响显著。两组结构面倾角均小于20°, 在结构面之间产生垂直于最大压应力方向的劈裂破坏;当一组结构面倾角为20°~40°, 另外一组倾角为0°~40°时, 一般为劈裂和沿结构面滑动耦合破坏;当其中一组结构面倾角大于40°时, 产生沿结构面滑动破坏。其变化范围没有普遍意义, 受到结构面及岩石参数的影响。

2.4 断续节理岩体破坏机制研究

岩体中某组节理断续发育或者与其结构体相互切割时未将岩体完全割离, 则称该组节理为断续节理。由于岩体的强度和变形以及破坏形态往往受断续节理组所控制, 所以从工程研究角度称这样的岩体为断续节理岩体。这种节理岩体在工程中是最常见的[1] 。

整体的破坏特征表现为原生节理和自节理端部扩展的岩桥端面所组成的复合破裂面。由节理面和岩桥组成的节理岩体的破坏强度特性研究, 因进行大型试验有困难, 所以往往一般的岩土工程很难从定量上考查岩体断续节理面对岩体破坏机制和强度的影响。

采用颗粒流程序模拟了节理结构面在不同连通率下, 倾角随机变化的节理岩体的破坏特征, 见图8。当结构面的连通率很小时, 结构面对岩样的剪切破坏形式影响较小, 剪切带并没有沿着结构面方向滑动;当连通率达到30%时, 岩样的破坏会利用部分断续结构面, 剪切带的形状位置均发生改变, 但没有形成完整的沿未贯通结构面的剪切滑动面;当连通率为50%时, 试样切割断续节理间的岩桥, 沿着固有的非贯通结构面滑动。

3 结语

节理网络 第4篇

节理的存在, 使得岩体被分割成不连续介质, 因而往往成为影响隧道围岩稳定性的决定性因素[1,2,3,4]。锚杆支护作为公路隧道中支护方式的重要组成部分, 它和喷射混凝土一起构成柔性支护, 从而约束围岩变位, 并与围岩共同形成支承环结构, 因而在初期支护中起着重要的作用。然而, 当前依然存在着锚杆支护参数选取不尽合理, 锚杆作用未能充分发挥而造成支护材料浪费和支护成本增加的现象。因此, 有必要对锚杆支护参数进行合理设计和优化。

本文依托内蒙古窑沟隧道, 针对近水平层理和竖向节理发育的典型地层, 将岩体视为非连续介质, 在参照规范和以往工程经验的基础上, 利用UDEC离散元软件建立二维计算模型, 通过改变锚杆环向布置范围、环向间距、径向长度, 计算结构变形量, 研究锚杆参数对隧道结构变形与稳定性的影响规律, 进而提出锚杆支护参数的优化方案, 为后续施工与支护设计提供指导, 并为类似工程提供一定参考价值。

1工程概况及参数选取

1) 依托工程。

本文依托工程为荣乌高速十七沟至大饭铺段窑沟隧道出口段ZK54+510~ZK54+370区段, 该区段以灰岩为主, 具硬质岩特性, 属Ⅴ级围岩;存在近水平层理和竖向节理, 部分有充填物, 呈剪性。出口段埋深约为22.18 m, 断面高9.31 m, 宽12.62 m。运用地质素描、统计分析手段对围岩节理特征优化描述如表1所示。图1为断面ZK54+380的CAD重构图。

依据现场地勘资料, 并结合工程经验, 取围岩的杨氏模量和泊松比分别为3.1 GPa和0.32。节理面力学参数参考文献[5]取值, 围岩和节理面力学参数取值见表2。

2) 模型建立。

考虑隧道的边界影响范围, 地层范围设置为:上边界取至地表, 下边界自洞室中心向下取1.5倍洞高, 两侧自洞室中心向外各取3倍洞宽。节理模型选取库仑滑动材料模型。

3) 锚杆设计参数。

隧道原有锚杆设计参数为锚杆环向布置范围216°, 间距1.0 m, 径向长度3.5 m。

本文拟对原有锚杆设计参数进行优化, 选取锚杆长度2.0 m~4.0 m;锚杆环向间距0.8 m~1.5 m;锚杆环向布置范围60°~180°, 呈梅花形布置, 研究锚杆设计参数对隧道围岩稳定性的影响, 提出锚杆参数优化方案。

2锚杆环向布置范围

取锚杆环向布置范围为60°, 90°, 120°和180°不等, 其他设计参数不变, 进行数值模拟。

计算得到各工况下围岩变形云图, 如图2所示, 隧道拱顶上方出现不均匀的沉降, 沉降值的大小从0 mm到约10 mm不等。为了便于统计分析, 依据图例将变形区域按照沉降值的不同加以分类, 即将围岩按照大于8 mm, 6 mm~8 mm, 4 mm~6 mm和2 mm~4 mm的沉降值划分为A, B, C, D四类。沉降面积统计结果如表3所示, 以60°工况为基准, 计算不同工况下各类沉降区域面积 (沉降大于4 mm) 与其的比值, 并绘制其变化曲线, 如图3所示。

如图3所示, 锚杆环向布置范围增加时, 拱顶沉降值的变化幅度以90°为分水岭, 60°→90°时, 拱顶沉降值大于10 mm, 围岩松动范围减幅最大 (其中大于8 mm沉降区域减幅约75%) ;超过90°时, 拱顶沉降值约为8 mm, 围岩松动范围减幅不明显。

综合考虑隧道结构安全储备与工程经济成本, 针对该条件下的地层, 施作隧道系统锚杆支护时, 并非锚杆环向布置范围越大越好, 该隧道环向布置范围取90°左右为宜。

3锚杆环向间距

取锚杆环向布置范围为90°, 锚杆环向间距取0.8 m, 1.0 m, 1.2 m和1.5 m不等, 研究锚杆环向间距的设定。

数值计算得到不同锚杆环向间距工况下围岩变形云图见图4, 如上一节所述方法, 将围岩按不同的沉降值划分为A~D四类。表4为各沉降区域对应的统计面积, 以间距1.5 m工况数据为基准, 计算不同工况下各类沉降区域面积与其相对比值, 其变化曲线见图5。

分析表4及图5, 大于1.2 m间距时, 拱顶沉降大于10 mm, 小于1.2 m间距时, 拱顶沉降稳定在8 mm, 变化不大;并且在1.5 m→1.2 m间距范围内, 围岩松动范围减幅最为明显, 1.2 m→1.0 m间距范围内的围岩松动范围减幅其次, 当锚杆环向间距小于1.0 m时, 围岩松动范围减小很少, 可以认为当锚杆间距小于1.0 m时, 继续加密锚杆并不能再明显地提升对围岩的加固效果, 未能充分发挥锚杆的锚固作用, 造成支护材料的浪费。综合考虑隧道结构安全储备与工程经济成本, 建议该隧道锚杆环向间距取1.0 m。

4结语

本文通过数值模拟, 针对具有近水平层理和竖向节理的隧道, 研究了隧道锚杆的环向布置范围、环向间距和锚杆长度等三种主要设计参数对围岩支护效果的影响, 并对支护参数进行合理的优化:

1) 锚杆环向布置范围处于60°~90°区间时, 随着锚杆环向布置范围的增大, 拱顶沉降值与围岩松动范围快速减小, 大于90°时, 随着锚杆环向布置范围增大, 围岩变形区域和最大沉降值减小并不明显。所以, 建议锚杆环向布置范围取值90°;

2) 锚杆环向间距处于1.5 m~1.0 m区间时, 随着锚杆环向间距的减小, 拱顶沉降值与围岩松动范围均发生较大幅度的减小, 而间距小于1.0 m时, 随着锚杆间距增大, 围岩变形降低并不明显。所以, 建议锚杆环向间距取值1.0 m。

摘要：结合内蒙古窑沟隧道, 通过UDEC离散元软件数值模拟手段研究锚杆环向布置范围、间距对隧道结构变形与稳定性的影响, 进而将锚杆原设计参数——环向布置范围216°、间距1.0 m优化为环向布置范围90°、间距1.0 m, 并证明了其合理性, 对类似工程具有一定的参考价值。

关键词：节理,系统锚杆,参数优化,离散元软件

参考文献

[1]陈国柱, 段群苗.节理特征对隧道变形影响的数值模拟研究[J].现代隧道技术, 2012 (sup) :89-93.

[2]李军, 吴惠卿, 王彦杰, 等.节理特征和围岩支护对隧道变形的影响分析[J].施工技术, 2013 (3) :82-86.

[3]陈国柱.节理对隧道变形的影响研究[D].上海:同济大学, 2012.

[4]索超峰, 石益东, 李军.节理特征对破碎围岩稳定影响的模型试验[J].公路交通科技, 2013, 30 (4) :83-87.

节理岩体直剪试验及其工程处理 第5篇

节理面的力学性质是岩石力学研究工作的基础[1,2,3,4,5],其因岩性、形成时的力学机制和环境因素而异,即使是同类岩石的节理也因张开程度、充填情况、表面形貌不同,其力学性质有着明显的差异。因此,在现场取样时尽量选择产状和几何形貌具有代表性的各类节理面节理,同时考虑不同岩性对节理面抗剪强度的影响,以便能获得各种类型和不同岩性中节理面的力学特性指标。本文通过节理岩体的直剪试验和工程处理,阐述了节理物理力学参数从室内结果到工程应用的转换。

2 直剪试验

把从现场采取的岩石节理面试样,根据岩块及岩块节理面的性质,分成不同的组,用水泥砂浆浇注固定在剪切模具中,浇注时确保上下两节理面准确对齐,节理面接触部分高度保持与剪切模具边框面平行,并高出模具边框面3～5mm。浇注用水泥砂浆配比为水:水泥:砂=1:3:9,试件浇注后养护28天后在RYL-600剪切试验仪上进行节理面剪切试验(图1)。

试验时垂直和水平方向分别加荷载,当记录的曲线超过峰值后认为弱面破坏,记录最大破坏荷载。固定节理面模块下盘,对节理面模块上盘进行采用速率加载模式控制,速率为3mm/min,得到如图2的剪切负荷Fs及剪切位移δs图,从中可以看出节理面剪切过程中,在较小的剪切位移情况下节理面的剪应力迅速达到峰值,峰值前应力-位移曲线基本符合线性关系;峰值后,曲线存在不同程度的应力跌落现象,这是由于此时节理面的起伏锯齿被剪断,节理面逐渐变得光滑。根据Mohr-Coulomb准则可求得节理面粘结力c=4kPa和内摩擦角φ=30°,如图3,其相关系数为0.83,属于高度相关。

3 工程处理

力学参数的选取会对计算结果产生重大影响,甚至有可能得出不能接受的计算结果。岩体宏观力学参数的研究一直是岩石力学最困难的研究课题之一。由于岩体中结构面的存在,以及水、风化等外营力的作用,使得岩体的力学行为与岩石试块所表现的力学行为之间存在着很大的差异。

采用原位试验方法确定岩体力学参数比室内岩块试验合理,但原位试验通常受到各种条件的限制,而且还存在一些尚待解决的技术问题。因此,如果我们考虑将岩块力学参数应用于岩体工程时,必须考虑岩块与岩体之间的差异,对参数进行工程处理,以使得对岩体工程所做的稳定性分析结果更接近于现场实际情况。因此需要利用室内试验资料,采用多种工程处理方法,得到符合工程实际的岩体力学参数。

3.1 粘结力的折算

节理面的粘结力c值不取决于试件的的尺寸大小,仅取决于节理面夹层的性质及其粗糙度,因而节理面粘结力的折减方法与岩石强度的折减方法完全不同,此处由工程类比折减系数取0.5。

3.2 节理面内摩擦角的折算

节理面的内摩擦角φ值不仅取决于夹层的性质,还取决于节理面自身的粗糙度影响。按照经验,对于节理面的试验值取适当的折减系数。根据工程类比法,此处取折减系数为0.80。节理面粘结力与摩擦角工程折减后结果为c=2kPa,φ=24°。

4 结论

通过室内节理岩体直剪试验,得到节理面应力应变响应,然后根据M o h rCoulomb强度准则计算相应粘结力和内摩擦角,并利用数据的工程处理得到岩体物理力学参数,为进一步的计算分析提供基础。

摘要：通过室内节理岩体直剪试验,得到节理面应力应变响应,以及剪应力和正应力之间的关系;然后根据Mohr-Coulomb强度准则计算相应粘结力和内摩擦角,并通过数据的工程处理将岩块参数转换为岩体物理力学参数,为进一步的计算分析提供数据基础。

关键词：直剪,粘结力,内摩擦角,工程处理

参考文献

[1]Tien Y M,Kuo M C.A failure criterion for transversely isotropic rocks[J].Int J Rock Mech Min Sci.2001,38,399-412.

[2]Kwasniewski M A.Mechanical behavior of anisotropic rocks[M].Oxford:1993,Pergamon Press.

[3]Johnston I W,Choi S K.A synthetic soft rock for laboratory model studies.Geotechnique.1986,36(2):251-263.

[4]叶金汉.岩石力学参数手册[M].北京:水利水电出版社.1991.

节理网络 第6篇

高密度电法是综合物探的有效方法之一，高密度电法兼具剖面法与电测深法的效果，并具有点距小、数据采集密度大，高密度电法测量的二维地电断面能较直观地反映基岩界线基岩构造，能够了解与围岩存在电性差异的节理裂隙的发育情况[1,2]。

近年来，贵州省各地煤矿透水事故不断发生，给矿山安全生产和企业财产造成巨大损失，一些矿难事故伤亡人员较多，造成了极大的社会影响。因此，根据高密度电法探测的维地电断面所反映的节理裂隙的发育情况为矿山预防水患制定相应措施提供理论，以便及时做好预防措施。

1 基本原理

高密度电法属直流电阻率法，测量结果为二维视电阻率断面。高密度电法具有点距小、数据密度大、工作效率高的特点，能较直观、准确地反映地下电性异常体的形态。高密度电法属于电法勘探的电阻率法，基于常规电阻率法勘探原理并利用多路转换器的供电，测量电极的自动转换，配合常规电阻率的测量方法及电阻率成像等高等技术进行高分辨、高效率电法勘探。它是通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，用供电电极（A,B）向地下供直流电（或超低频）电流，同时在测量电极（M,N）间观测电势差（ΔUmn），并计算出视电阻率（ρs），各电极同时或不同时沿选定的侧线按规定的电距间隔移动[3,4]。预先人工打好电极，仪器自动切换，快速完成野外数据的采集其工作流程见图1。

高密度电法野外数据采集是确定采集参数后，通过主机控制多路电极转换器经由电极系形成供电、测量的数据自动采集系统。数据采集完成后，通过通讯程序将原始数据传入计算机进行数据转换、地形校正、二维反演后输出二维地电断面图即完成整个采集与处理全过程[5]。

2 应用实例

2.1 矿井水文地质条件

矿区面积2.2204km2，因地层倾角较大，区域内地层在2.2204km2范围内均有出露，区内出露的地层为矿区西北角的中二迭组茅口组，上二迭统吴家坪组，大隆组、第三系及第四系；根据其岩性、含水性、隔水性等特征，划分为主含水层和主隔水层。

2.1.1 主含水层：有长兴一大隆组，茅口组

(1)长兴一大隆组：主要为浅灰色厚层～块状含燧石灰岩，局部夹生物碎屑岩，其厚度40～55m，该岩层裂隙发育，含较丰富的岩溶裂隙水。为区内中等含水层。

(2)吴家坪组：主要含水层为第二段底部和第三段的含燧石灰岩和硅质岩一般厚200m以上。其中第二段底部厚层状含燧石灰岩为K煤层顶板，为区内中等含水层，位于煤系地层之下。

(3)茅口组：主要由灰岩组成，其中夹硅质灰岩。出露在矿区西北角，岩溶裂隙发育，含水丰富，为良好的含水层，其厚度200m以上，为矿区强含水层。

2.1.2 主要隔水层：吴家坪组中的粘土岩

吴家坪中在各中厚层至厚层一块状燧石灰岩及硅质岩中，一般夹有多层厚度不定的粘土岩和泥岩其透性，含水性弱，是良好的隔水层。第四系：仅残留于山谷、溪沟，面积小。为碎屑岩的残积，坡积及冲积物，厚度小于10m，仅含微弱孔隙潜水,为矿区弱含水层。

2.2 工程布置

由从地质的角度出发，每个区域都有一定的含水岩层。在贵州地区，丰富的储水层位多在灰岩的岩溶裂隙中，其次是砂岩构造裂隙内等。当基岩完整时，电性在横向基本是均匀的,在竖向上呈有规律的变化，一般电阻率随深度增高,视电阻率等值线反映为平行光滑，有规律，并且其电阻率是相对较高的。但当其中的岩溶裂隙充水后，就会改变该段区域的综合电性。所以在此区域找水，主要就是在高阻中寻找相对的低阻区段当基岩完整时，电性在横向基本是均匀的，在竖向上呈有规律的变化，一般电阻率随深度增高，视电阻率等值线反映为平行光滑，有规律。反之，当基岩发育有溶洞或裂隙时，电性不再均匀和有规律，电阻率曲线在平行和疏密程度上都不同，或呈陡立，或局部低阻。所以判断节理裂隙是否存在，只要看剖面视电阻率曲线是否对直立的或倾角较大的板状低阻地质体，视电阻率等值线往往曾向上凸起的低值异常[6,7]。

野外工作使用了重庆仪器厂生产的DUK-2A高密度电阻率成像系统，该仪器既可以做二维高密度电法勘探，也可以做三维高密度电法勘探，其特点是存储量大、测量效率高，可与其它电法处理软件配合使用，电极排列装置类型多样。实际操作中共有6条大线120个电极，最大极距为5m。工区沿排水沟共布设高密度电阻率测线2条，测线如图2所示。得到的数据经过计算机处理，可得到相应的电阻率剖面。

3 数据处理与解释

把所得到的数据在室内利用Rev2dinv电法计算专用软件进行处理，把电法数据中的坏点进行了剔除，取两点间平均值进行平滑。高密度电法装置方式较多，这里均采用温纳装置，即选取AM=MN=NB=a(a为电极距），记录点取在MN的中间，采集系统通过仪器自动选取A、B、M、N，在60根电极中相互转换，同时主机测试到不同位置不同层的视电阻率值，最终完成整条剖面的数据采集工作，所测视电阻率计算公式为：ρs=（KABΔUMN）/I，工作电极数为120个，极距5m。根据一般规律，在高阻地质体上，视电阻率等值线呈现圈闭的高值异常，如果高阻地质体埋藏较浅，或规模较大，等值线圈闭明显，圈闭范围较大，等值线浓密；反之，埋藏越深，或是规模较小，等值线圈闭明显，圈闭范围较小，等值线稀疏。高阻地质体异常一般由致密坚硬的灰岩、溶蚀空洞所引起。在等轴状或似等轴状低阻地质体上，视电阻率等值线往往呈现圈闭的低值电阻异常，如果埋藏较浅，或规模较大，等值线圈闭明显，圈闭范围较大，等值线浓密；反之，若埋藏较深，或规模较小，等值线圈闭不明显民权比范围较小，等值线稀疏。对直立的或倾角较大的板状低阻地质体，视电阻率等值线往往曾向上凸起的低值异常，如节理裂隙异常等。低阻异常一般有节理裂隙、地下水、硅质岩及煤层底板粘土岩层引起。岩体裂隙充水或泥影响范围电阻率小于600Ω·m。图3至图4是测线的视电阻率反演等值线图[8,9]。

在图3中，位于88号到91号点位间，标高从1007到952m深部，发育地层P3w2（上部为硅质岩，下部为硅质岩，中部为砂质页岩，中等含水层），电阻率大于2000Ω·m，根据惠水县断杉镇沙坝煤矿矿井开拓系统、采掘巷道布置图，推断为101运输巷。

位于101号到104号点位间，标高从1045到1005m深部，发育地层P3w3（上部为硅质岩，下部为硅质岩，中部为砂质页岩，弱含水层），电阻率大于2000Ω·m，根据惠水县断杉镇沙坝煤矿矿井开拓系统、采掘巷道布置图，推断为101回风巷。

位于81号到87号点位间，标高从1011到970m深部，发育地层P3W2（上部为石灰岩，下部为灰岩，含细粒砂岩，中等含水层）和P3W3（上部为硅质岩，下部为硅质岩，中部为砂质页岩，弱含水层），电阻率小于600Ω·m，异常特征为节理裂隙异常中有低阻圈闭的异常存在，推测主要原因为掘进101运输巷过程中导致上覆岩层的松动，从而形成较强的节理裂隙。

位于19号到109号点位间，标高从地面到880m深部，发育地层P2m（灰岩，强含水层）和P3W1（上部为石灰岩，下部为灰岩，含细粒砂岩，中等含水层），电阻率小于600Ω·m，视电阻率等值线往往曾向上凸起的低值异常，异常特征为溶岩裂隙充水。

在图4中，位于67号到96号点位间，标高从地面到901m深部，电阻率大于2000Ω·m，异常特征推测为采空区三带，由以往开采记录可以证实该范围为采空区。位于16号到60号点位间，标高从地面到881m深部，发育地层为P3w2（石灰岩、硅质岩，中等含水层），P3w3（石灰岩、硅质岩，中等含水层），电阻率小于600Ω·m，异常特征推测为节理裂隙异常。

根据上述研究成果，我们在分别在砂坝煤矿物探1线和物探2线的排水沟中选择3个地点测量水的流速，发现矿井水从水泵排出后沿排水沟逐渐减少，因此推断该异常区是由井下水仓排到地面的水又通过溶岩裂隙渗入地下造成。

因此，我们把沙坝煤矿的两个排水沟沟底用基石铺好好重新测量水泵的排水量时发现，水泵的排水量减少显著。究其原因，很可能是由于堵住岩层节理裂隙的通道造成。

4 结论与建议

高密度电祖率法自动化程度较高，勘探费用低，效率高。其多方法特点不同，因此可以在构造复杂，不良地质体较多的区域会起到很好的探查效果。对于探查目标体来说，如果首先使用高密度电阻率法并辅之于其他物探方法进行普查，再辅以其他方法验证，以综合勘探的思路，必能起到事半功倍的效果。可以相信，高密度电阻率法在煤矿生产中将会发挥越来越重要的作用。随着电法勘探仪器水平的不断提高，软件水平的更大进步，相信高密度电法将会得到更广泛地应用，为我国煤矿经济建设和安全产生带来更大的经济和社会效益。

摘要：介绍了高密度电法的探测原理和探测方法,结合贵州省惠水县砂坝煤矿的探测实例,说明高密度电法在煤矿节理裂隙的探测效果良好,在煤矿中具有良好的应用前景。

关键词：高密度电法,节理裂隙,电阻率

参考文献

[1]傅良魁.应用地球物理教程一电法勘探[M].北京:地质出版社.

[2]葛如冰,黄伟义等.高密度电阻率法在灰岩地区的应用研究[J].物探与化探,1999,23(1).

[3]刘国兴.电法勘探原理与方法.北京:地质出版社,2003.

[4]程志平.电法勘探教程[M].北京:冶金工业出版社,2007.

[5]刘晓东,张虎生,朱伟忠.高密度电法在工程物探中的应用[J].工程勘察,2001,4.

[6]郭秀军.用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题[J].工程物探信息,2002,(3).

[7]邓居智,刘庆成,莫撼.高密度电阻率法在水坝隐患探测中的应用[J].工程勘察,2002.

[8]冠绳武,李克祥.高密度电阻率法探测洞穴、采空区的效果分析[J].工程勘察,1994,(6).

节理网络 第7篇

随着国家基础建设事业的大发展，长大山岭隧道不断出现。山岭隧道在工程施工过程中经常要通过断层破碎带、岩溶等不良工程地质，在埋深较大、地层岩性复杂、围岩破碎、地下水补给源充分等条件下极易发生高压突水等地质灾害，严重影响施工安全和进度[1];在长期的地下工程建设中积累了以注浆治水为核心内容的大量理论创新和成功的工程案例，但高压富水的实例多集中在断层破碎带、岩溶等地质条件下，且水压一般不超过3 MPa[2,3,4,5]。中天山右线隧道高压富水段地质罕见地为节理密集带，且水压高达6.3 MPa，如何准确充分地判断水文地质情况，采取科学可行的设计施工方案是安全顺利建成本隧道的关键。

1 工程概况

1.1 设计概况

中天山隧道位于托克逊、和硕间中天山东段的岭脊地区，平均海拔1 100 m～2 950 m，最高海拔为2 951.6 m，隧道最大埋深1 700 m。隧道右线全长22.467 km，其中出口钻爆段设计承担施工任务8 675 m(起讫里程Dy K164+040～Dy K155+365)，后因安排接应进口段TBM继续向前施工。隧道出口往进口方向为单面下坡，平均坡度为10‰。隧道右线Dy K158+526处设一座2 545.89 m长的2号斜井辅助正洞施工。

1.2 涌水情况

出口钻爆段掌子面施工至Dy K154+901时(设计为Ⅱ级围岩)，在实施超前探孔时突喷出一股高压水，水柱喷射长度达30多米，呈雾化状，单孔出水量约5 000 m3/d，隧道掌子面涌水量已超出设计排水能力，涌水里程到Dy K155+830，造成洞内最多被淹930 m，现场施工被迫停止。

2 涌水段地质水文状况

2.1 补充地质勘查工作

通过超前钻孔和TSP超前地质预报，探测显示前方168 m范围地下水发育，局部发育股状裂隙水，掌子面前方涌水最高静水压力为6.3 MPa，见图1。

2.2 涌水段地质水文特征分析

涌水段地貌属剧烈切割陡峻的中山山地，处于中天山山地岭脊附近，海拔高程2 700 m～2 800 m，隧道埋深1 500 m～1 600 m。隧道中线右侧0 m～200 m范围有一深切沟谷(沟底高程2 600 m～2 700 m)。地层岩性为华力西期闪长岩，节理裂隙较发育～发育，岩体较完整～较破碎，岩体较完整与较破碎段相间出现。在涌水段前方300 m附近为f7逆断层，N60°W/70°S，延伸长大于10 km，破碎带宽度约3 m～5 m，见图2。

突涌水段受f7断层影响，地下水极发育。地下水类型主要为岩性接触带层间水，赋存于节理密集带、宽张节理中，呈条带状分布，受地质条件、构造环境、节理裂隙连通性好，掌子面埋深大等影响，地下水具有补给充分、水压高、水量大、突发性强、衰减缓慢等特点。

3 施工方案

中天山右线隧道高压富水段施工方案以“注浆减排、排水降压”为施工原则。在注浆时采用“注浆局域划分，对角泄水降压”的原则，即对左上部位注浆时，右下部位泄水;加大注浆、泄水孔空间距离，减少串浆几率。采取前进式分段注浆施工工艺施工，按照先外圈，后内圈施工顺序对涌水进行封堵。

3.1 堵水范围

注浆加固范围确定为开挖轮廓线外8 m，每循环30 m，开挖时预留8 m作为止浆岩盘。方案布置见图3，图4。

3.2 超前加固注浆参数

超前加固注浆设计参数如表1所示。

3.3 注浆材料

注浆材料采用以普通水泥单液浆为主，水灰比W∶C=(0.6～1)∶1。普通水泥—水玻璃双液浆为辅，水灰比W∶C=(0.8～1)∶1，体积比为C∶S=1∶(1～0.3)，水玻璃浓度30 Be'～35 Be'。

3.4 设备选型

根据中天山右线隧道高水压特点，现场采用1台RPD-180C型多功能地质钻机，配置4台KBY系列注浆机，额定最高压力达15 MPa，以满足现场高压富水钻孔注浆需求。

3.5 注浆结束标准

单孔注浆结束标准以定量定压相结合的方式控制。定量标准:当注浆量达到设计注浆量的1.5倍～2倍，压力仍然不上升，可采取双液注浆等措施结束该孔注浆;定压标准:注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐下降，当注浆压力达到设计注浆压力6 MPa～8 MPa并维持5 min～30 min可结束该孔注浆。

4 注浆效果评定

通过钻孔涌水量、注浆堵水率、P—Q—t曲线、孔内摄像等四种效果检查及评定方法分析，在注浆施工过程中所有注浆孔都达到设计的注浆压力，随着由外及内的注浆施工，孔内出水量明显的减小，大的涌水裂隙得到有效封堵，但由于普通水泥单液浆颗粒较大，浆液无法进入较细小裂隙，施工过程中仍有少量涌水。在检查孔钻设过程中钻进速度较快，未出现卡钻现象，且检查孔出水量都达到开挖标准，对检查孔进行孔内摄像测试，检查孔孔壁光滑，成孔性较好、无塌孔现象，孔壁有较明显的浆液充填痕迹，达到预期的注浆减排目的。

5 开挖施工

注浆完成后，对原左侧泄水孔X2,X3进行重新扫孔至设计深度进行排水泄压，防止注浆范围内围岩背后承受高水压力，降低开挖时的安全风险，泄压孔泄水总量为110 m3/h。随后进行掌子面开挖。

开挖方式采用上、下台阶法施工。施工中严格按“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的原则进行，尽量减少对围岩的扰动，加强光面爆破成型控制，确保止浆岩盘抗水压能力，保证施工安全，每循环进尺控制在1.0 m以内。从开挖后掌子面浆液扩散情况看，围岩揭露后显示，围岩内的所有渗水通道都被浆液有效填充，掌子面涌水量比注浆前明显减小为13 m3/h，能够保证顺利开挖。

6 结论与体会

1)中天山右线隧道高压富水段施工方案采用“注浆减排、排水降压”，注浆采用“注浆局域划分，对角泄水降压”是可行的;采用前进式分段注浆，加固段长亦选择25 m～30 m，否则钻孔注浆工效明显下降，注浆末段效果较差。

2)注浆主要以普通水泥单液浆作为注浆材料，其设计配合比的可注性、可泵性在实际注浆过程中得到了验证。注浆结果显示，在中天山隧道高水压条件下，不采用特种水泥也能达到预期注浆效果，有效地降低了成本。

3)本工程水压达6.3 MPa，岩石饱和状态抗压强度为91.2 MPa，石英含量达24%，岩石坚硬耐磨，施工设备科学选型至关重要。

参考文献

[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[2]王梦恕.大瑶山隧道:20世纪隧道修建新技术[M].广州:广东科技出版社,1994.

[3]张民庆,彭峰.地下工程注浆技术[M].北京:地质出版社,2008.

[4]浦小平,王全胜.厦深铁路大南山隧道F2-1断层突泥涌水处理技术[J].隧道建设,2009,29(4):466-469.

节理网络 第8篇

关键词：黄土,干湿循环,CT扫描成像技术,裂隙发育机制

随着西部大开发及一带一路战略的实施,越来越多的工程建设在西部黄土地区上马,黄土体的工程性质(强度、变形及稳定性)因此也受到越来越多的关注。黄土是多种矿物的集合体,干燥的黄土具有很强的结构性,土体的强度很高;但是当土体受到水的侵润、侵湿后,其强度就会发生显著地降低,导致黄土病害的发生。

黄土的裂隙性对其工程性质有很大的影响。首先裂隙的存在使黄土体的整体性下降、结构性减弱,致使强度降低;其次裂隙为雨水的下渗及水分的蒸发提供了通道,使得土体受到大气营力(主要为降雨、蒸发、温度)的作用更为剧烈。因此,研究黄土体节理裂隙发育扩张机制将有助于揭示黄土体病害产生的原因,同时也为工程治理提供理论依据。

在黄土体的工程性质方面,国内外研究学者作了许多工作,并取得了不少有价值的成果,在黄土体与水的相互作用方面目前主要集中在黄土体的湿陷性[[1,2,3]、非饱和黄土土-水特征曲线[4,5,6,7]、密度和干湿循环对土体土-水特征曲线的影响[8,9]、冻融循环作用下黄土体的孔隙率及渗透性[10,11]、黄土体中水分迁移规律[12—14]、黄土体的崩解性[15]、湿载耦合作用下黄土体的结构性损伤[16]等方面;在黄土体的微细观结构方面主要集中在采用Quanta环境扫描电镜对土体进行微观结构测试[17,18]、通过CT扫描仪定量研究宏观力学反应与微细观结构的关系[19—21]、用电阻率法定量研究湿陷过程中黄土体微结构的变化规律[22]等方面。在干湿循环作用下黄土体裂隙演化规律方面,尤其是裂隙演化的机制方面还需进一步研究。本文在延安市安塞县取样,采用CT扫描成像技术研究在干湿循环作用下黄土节理裂隙发育扩张规律,在此基础上探讨裂隙发育扩张的机制。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用Q2黄土土样取自延安市安塞县某黄土边坡,对试样进行土工试验,通过酒精燃烧法得到含水率,通过环刀法得到天然密度和干密度,通过公式计算得到孔隙比,通过锥式液限仪得到液限,通过搓条法得到塑限,通过比重瓶法得到土体相对密度。土体物理力学性质指标如表1所示。

1.2 试验装置

干湿循环试验主要试验仪器设备如下:①保湿器;②MP5002电子天平(感量为0.01 g);③烘箱;④SIEMENS SOMATOM plus型X射线螺旋CT机(图1)。

1.3试验方案

CT技术的特征就是从被测体外部探知发自(或经过)被测体后的信息,用计算的方法求解被测体空间特性的定量数据表达,而不必进入被测体内。英国工程师Housfield建立CT机的物理标准方程:

式中:Hrm为CT数;μrm为某图像点物体的X射线吸收系数;μH2O为纯水的X射线吸收系数。

X射线螺旋CT机扫面过程中会根据土样特性把断面分成若干区域,各区域的CT数分别为Hrm1,Hrm2,……,Hrmn,断面CT数ME值和SD值分别为

取样地区属于中温带大陆性半干旱季风气候,降雨主要集中在6~9月,雨量可以达到全年70%左右,黄土在大气营力的作用下,含水量较低。为了模拟黄土实际的变化情况,设置目标含水率为8%、15%,干湿循环试验进行6次,扫描断面为试样1/3高度和2/3高度处,试验过程如下所示。

(1)制备1组土样,尺寸Φ61.8 mm×125 mm,初始含水率8.0%,进行CT扫描,得到土样不同截面的细观结构图、CT数ME及SD。

(2)对步骤(1)样品放入烘箱在105℃条件下烘干10 h后,配备15%含水率,静置24 h后,再次烘干。

(3)对步骤(2)土样进行CT扫描,得到土样不同截面的细观结构图、CT数ME及SD。

(4)重复步骤(2)、(3),进行6次干湿循环试验。

(5)分析各个CT扫描图像的细观结构、CT数ME及SD。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

对制备好的土样进行CT扫描,得到与土样尺寸相同的扫描图像(即土样尺寸∶扫描图像尺寸=1∶1),把扫描图像缩小5倍得到图2、图3。图2为试样初始状态、干湿循环1~6次时a截面的CT扫描图片,图3为试样初始状态、干湿循环1~6次时b截面的CT扫描图片,图4为a、b截面ME值随干湿循环次数的变化曲线,图5为a、b截面CT数SD值随干湿循环次数的变化曲线。

由图2、图3可以看出试样存在初始损伤,损伤在土体内部空间不均匀分布,这是因为黄土体中存在天然的大孔隙和垂直节理裂隙。一次循环后在原有裂纹、裂缝附近出现新的裂隙,由于此时黄土体依然具有很强的完整性,因此裂隙发育不明显。2~4次循环在土体原有的裂隙和初次干湿循环形成的裂隙等软弱结构周围出现新的裂纹、裂缝,并且这些结构逐渐深长变宽,并不规则的分叉、贯通形成网状,逐渐发育成裂隙断裂带,土体的完整性、结构性显著降低。4次循环后土体的裂隙逐渐停止发育,土体被分割成若干区域,在土体初始损伤部位形成较为明显主裂缝,在其周围形成次裂缝,此时整体性及结构性丧失,土体较破碎。CT数ME值表示的是扫描断面物质点的平均密度,CT数SD值表示的是扫面断面物质点密度的差异程度,由CT数ME值、SD值可以定量的评价土体的损伤状态。由图4、图5可以看出CT数ME值随着循环次数的增多不断下降,下降的速率不断减小,而CT数SD值随着循环次数的增加不断增多,增长的速率不断减弱,说明随着循环次数的增加,土体的结构不断被破坏,土-水作用随着干湿循环次数的增多不断减弱。初次干湿循环后CT数ME值、SD值变化的速率都最大,说明土体对初次干湿循环最为敏感。2~4次干湿循环CT数ME值、SD值变化的都较为明显,说明土体随着干湿循环次数的增多损伤一直在加剧。4次循环后CT数ME值、SD值随干湿循环次数的变化图逐渐趋于平稳,说明土体已经变的破碎,水的侵湿-蒸发已经不能对土体造成明显的破坏。

2.2 试验结果分析

试验土体裂隙的产生主要是由两部分组成的,其一土体是多种矿物的集合体,当土体受水侵湿进而与水发生一系列复杂的物理化学作用时,亲水性矿物与其他矿物与水反应的剧烈程度不同,导致不同矿物之间存在明显的变形差,这些变形差会产生拉应力;其二土体失水收缩会产生拉应力,当拉应力大于土体抗拉强度时土体就会产生裂缝,试验证明土体裂缝的产生主要由失水收缩产生。关于土体与水反应产生变形的理论目前主要有晶格扩张理论和双电层理论。晶格扩张理论认为在组成矿物的原子晶格中,晶层之间靠非常弱的化学键相连,使得极性水分子很容易进入晶层之间,形成水化膜,增加了晶层的距离,使得土体表现出体积膨胀。双电层理论认为黏土颗粒由于离解作用、吸附作用、同晶置换、边缘断裂等作用使得颗粒带有不平衡的负电荷,因此颗粒周围就会形成电场,由于水分子是极性分子,在电场作用下水分子的极性端就会被吸附在土粒表面,呈现出不同程度的定向排列,形成反离子层,土粒表面的负电荷和反粒子层一起构成双电层。双电层理论不仅局限于矿物颗粒表面,而且也能用于聚集体之间,所以被普遍接受。土体变形会产生拉应力,当拉应力大于土体的抗拉强度时就会产生裂缝,国内外许多学者都对黏土的抗拉强度值进行了研究,目前接受较多的是H.Trabelsi[23,24]等提出的理论。

式(1)中:σt为土的抗拉强度;ua-ub为基质吸力;c1,c2均为与土性相关的试验参数。

越来越多的研究表明,影响裂隙发育程度关键因素并不是含水率而是含水率梯度[25,26]。土体含水量从8%增加到15%,在土体侵湿的过程中水分子进入土体内部,由于土颗粒带负电,极性水分子在电场的作用下会发生移动,楔入到晶层、矿物、聚合体之间,形成水化膜,随着水分的增加,水化膜不断增厚,使得晶层之间、矿物之间、聚合体之间的距离被不断加大,使得土体产生变形,由于土体中不同的矿物与水反应的剧烈程度不同,就造成不同晶层之间、不同矿物之间、不同聚集体之间产生变形差,进而产生拉应力,此时由于非饱和-高饱和度状态的土体基质吸力较低,有上述公式可知此时抗拉强度较小,由于此时土体整体性较好、强度较高,因此裂隙发育不明显。当试样静置24 h后,把试样放入烘箱进行干燥,试验前土体含水率均匀分布,试验开始后表层土体直接与烘箱高温环境接触,水分蒸发快,内层土体由于外层土体的包裹作用水分蒸发慢,又由于土体的渗透性较差,短时间内土体难以自我调节使水分均匀分布,这就造成了土体内水分梯度不断加大,外层土体由于水分的蒸发,晶层、矿物、聚合体之间反离子层中的扩散层水膜不断减弱直至消失,孔隙水-气结合面处弯液面产生,表面张力使得负的孔隙水压力产生,颗粒之间相互靠拢,晶层、矿物、聚合体之间距离不断拉近,又由于固定层及粒间斥力的存在使得土体的体积不会随着含水率的降低一直进行下去,内部土体由于水分散失慢,所以变形较外层土体小。含水量在空间分布的不均匀使得土体各部产生不均匀变形,不均匀变形不断加剧,使得土体的拉应力势能不断累积,当拉应力大于土体抗拉强度时,土体就会产生裂缝,因此裂隙发育扩张的过程可以理解为土体拉应力势能释放的过程。初次干湿循环,c1、c2参数下降最为明显,使得土体的抗拉强度下降较多;又由于初始土体完整性较强,渗水通道少,土体中的水力梯度较大,应变差较大,因此产生的拉应力较大,这就造成了在初次干湿循环作用下CT数ME值、SD值变化最为明显。2~4次干湿循环,在增湿过程中土体由于体积膨胀,裂隙会发生愈合,愈合并不意味着裂隙的消失,因为裂隙处的抗拉强度并没有得到恢复,因此当土体再一次经历烘干失水,由于裂隙处的抗拉强度已经失去,裂隙会更容易的再度张开,张开后的裂隙会成为新的临空面,这些增加的临空面会成为水分迁移的新通道,由于新通道的出现,改变了原来的水力梯度的分布,相应的土体变形也会做出相应的调整,当土体某处的拉应力大于土体抗拉强度时,新的裂纹、裂隙也就产生了,这就是CT数ME值随着干湿循环次数增加而不断减小、SD值随着干湿循环次数增加而不断增大的原因。4次干湿循环后,由于裂隙已经把土体切割成许多小块体,这就使得土体中水分迁移的路径变短,土体平衡水力梯度的速度加快,造成土体中很难产生高水力梯度,进而很难产生很大的拉应力;又由于此时土体较破碎,土体中存在许多较宽的裂缝,水分会在这些裂缝中富集,使得土体的基质吸力增加,抗拉强度升高,抗拉强度大于土体中的拉应力,裂隙发育停止,这就是黄土体在干湿循环作用下裂隙不会无限发育的原因。

3 结论

(1)土体对前4次干湿循环最为敏感,随着干湿循环次数的增加,微裂纹逐渐伸长变宽、并不规则的分叉、贯通;3次干湿循环后,土样裂隙基本成了网状,土样较破碎,4次循环后,裂隙有所增加,但是增加不大。