·176· 工程科学学报，第39卷，第2期 龟裂系数以及通过数值模拟来表征岩体节理裂隙 岩体损伤度的关系，通过现场岩体声波测试、实验室岩 等[6-].但是在实际工程中，岩体受到外界复杂条件 石声波测试和现场点荷载强度测试，分析岩体损伤度 的干扰，导致误差较大或者实测值所表征的岩体特 和岩体完整性系数的关系 点与现场实际有较大的出入.曹瑞琅等[o]引入岩体 节理组数、节理间距和岩体完整性系数描述岩体结 1岩体完整性系数与损伤度的关系 构特征，建立多因素模糊综合评判理论评估岩体地 1.1点荷载强度与损伤度 质强度指标(geographic information system,GIS).胡 根据损伤力学的原理，材料的损伤因子D定义为 文寿等)认为RQD值的统计结果与岩芯钻取的质 出现损伤的面积A,与原始面积A之比，即 量和钻孔所在位置的地质条件有关，并且还指出 D=Ap/Ao (4) RQD值表征的是取芯质量指标.张奇华等[]和王川 而连续因子乎=1-D. 婴等[]提出岩体的完整性包括岩体的切割程度和块 损伤力学发展至今，损伤变量的表征一直存在争 度，他们采用全空间块体搜索技术研究岩体的切割 论.有很多研究者用直接或间接的物理学和力学的方 程度和块度.刘树新等[]对用RQD值来表征岩体 法来测量它们.在现有的设备中，可以利用X光摄像 完整性的不足作了详细的分析，并提出用V.RQD值 声发射、超声技术、CT技术和红外显示技术等来间接 来表征岩体的完整性.笔者认为，用RQD值来表征 的测量监测试件有效面积的变化，从而计算岩体的损 岩体的完整性确实有些不足，RQD值的统计受钻孔 伤因子.在实际工程中的岩体处于复杂的地质环境 方向、钻孔质量以及打钻技术的影响，导致统计结果 中，测量岩体损伤的面积或没有受损的面积是比较困 有很大的局限性.马超锋等[]认为在统计岩体节理 难的.Zhou等]应用岩体声波的变化程度来定义岩 裂隙体密度J时，应该考虑到结构面的结合特征，提 体的损伤变量D、(即岩体受到扰动后声波的下降幅 出工程岩体完整性应从结构面几何发育特征和结合 度)，即未受开挖扰动的原始岩体声波速度为V。,受开 特征两方面进行评价 挖扰动后岩体的声波速度为V。,Zhou等人提出损伤变 已有的结果表明，岩体的完整性与弹性模量和 量的表达式如下： RQD值密切相关.郭强等采用岩体与岩块的弹性模量 (5) 比E/E,并得出与岩体质量指标RQD之间的关 D、=1-(V./Vo). 现场点荷载试验采用如皋市原野勘查机械厂生产 系式： 的SD-1数码点荷载仪.试样通过现场随机拾得的岩 E=0.0231RQD-1.32. (1) 块，为了减小现场试验的随机性和误差，本实验一共在 这与郭强[6提出的折减系数与RQD的关系几乎 20处不同的测，点对近300个试样进行现场测试，并对 一致，并且被美国《桥梁公路岩体分类规范》采纳， 每个测点的岩体进行现场声波测试.根据现场点荷载 Zhang和Einstein分析了折减系数En/E与RQD值 强度测试结果，试验岩块根据不同破坏方式分成两种 的关系.郭强等6]在文中提到岩体等级指标RMR,当 类，一类是完整岩块的破坏，另一类是沿节理面的破 RMR≤50时，RMR指标与岩体弹性模量满足一定的 坏，如图1所示，其中(a)为完整岩块的破坏图，(b)为 关系，即 沿节理面破坏的岩块. E。=10RNR-0)/40 (2) 岩石本身就是一种复杂的材料，并且表现出各向 式中，RMR为岩体等级指标 异性.无法用有效的方法直接测量岩体内部受损的程 Hoek和Brown[]提出岩体弹性模量与单轴抗压 度.因此，笔者提出用点荷载强度来计算岩体的损伤 强度UCS和地质力学强度指标GSI有关，其满足如下 度，即强度损伤度.假设完整的岩块，内部完全没有任 关系： 何的微裂隙，即连续介质.岩块受到不同程度的外界 扰动后，内部会出现不同程度的微裂隙和宏观裂隙，这 UCS E.=100 ×10-0)/40 (3) 将导致岩体内部结构遭到破坏，完整性降低，从而导致 式中，GSI为地质强度指标 岩体强度降低.虽然无法准确测量岩块的受损面积， 国内外已有的研究中，用岩体弹性波的方法来表 但是可以准确测量岩块损伤后的残余强度.因此通过 征岩体完整性系数（龟裂系数）是目前国内外公认的 现场点荷载强度的不同破坏方式提出一种新的损伤度 比较准确的方法.目前大部分学者研究方向是岩体完 的计算方法 整性、RQD值的统计以及岩体完整性系数与岩体其他 结合损伤力学的概念，假设完整岩块的破坏为无 力学参数之间关系。对岩体的完整性系数与岩体的损 损状态下的破坏，沿节理面破坏的岩块为损伤岩块的 伤度之间关系的研究却很少.本文针对岩体完整性和 破坏.则强度损伤度S。可以表示为工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 龟裂系数以及通过数值模拟来表征岩体节理裂隙 等[6鄄鄄9] . 但是在实际工程中,岩体受到外界复杂条件 的干扰,导致误差较大或者实测值所表征的岩体特 点与现场实际有较大的出入. 曹瑞琅等[10] 引入岩体 节理组数、节理间距和岩体完整性系数描述岩体结 构特征,建立多因素模糊综合评判理论评估岩体地 质强度指标( geographic information system, GIS) . 胡 文寿等[11]认为 RQD 值的统计结果与岩芯钻取的质 量和钻 孔 所 在 位 置 的 地 质 条 件 有 关,并 且 还 指 出 RQD 值表征的是取芯质量指标. 张奇华等[12] 和王川 婴等[13]提出岩体的完整性包括岩体的切割程度和块 度,他们采用全空间块体搜索技术研究岩体的切割 程度和块度. 刘树新等[14] 对用 RQD 值来表征岩体 完整性的不足作了详细的分析,并提出用 V. RQD 值 来表征岩体的完整性. 笔者认为,用 RQD 值来表征 岩体的完整性确实有些不足,RQD 值的统计受钻孔 方向、钻孔质量以及打钻技术的影响,导致统计结果 有很大的局限性. 马超锋等[15] 认为在统计岩体节理 裂隙体密度 Jv时,应该考虑到结构面的结合特征,提 出工程岩体完整性应从结构面几何发育特征和结合 特征两方面进行评价. 已有的结果表明,岩体的完整性与弹性模量和 RQD 值密切相关. 郭强等采用岩体与岩块的弹性模量 比 Em / Er,并 得 出 与 岩 体 质 量 指 标 RQD 之 间 的 关 系式: Em Er = 0郾 0231 RQD - 1郾 32. (1) 这与郭强[16]提出的折减系数与 RQD 的关系几乎 一致,并且被美国《 桥梁公路岩体分类规范》 采纳, Zhang 和 Einstein [17]分析了折减系数 Em / Er与 RQD 值 的关系. 郭强等[16]在文中提到岩体等级指标 RMR,当 RMR臆50 时,RMR 指标与岩体弹性模量满足一定的 关系,即 Em = 10 (RMR - 10) / 40 . (2) 式中,RMR 为岩体等级指标. Hoek 和 Brown [18] 提出岩体弹性模量与单轴抗压 强度 UCS 和地质力学强度指标 GSI 有关,其满足如下 关系: Em = UCS 100 伊 10 (GSI - 10) / 40 . (3) 式中,GSI 为地质强度指标. 国内外已有的研究中,用岩体弹性波的方法来表 征岩体完整性系数(龟裂系数) 是目前国内外公认的 比较准确的方法. 目前大部分学者研究方向是岩体完 整性、RQD 值的统计以及岩体完整性系数与岩体其他 力学参数之间关系. 对岩体的完整性系数与岩体的损 伤度之间关系的研究却很少. 本文针对岩体完整性和 岩体损伤度的关系,通过现场岩体声波测试、实验室岩 石声波测试和现场点荷载强度测试,分析岩体损伤度 和岩体完整性系数的关系. 1 岩体完整性系数与损伤度的关系 1郾 1 点荷载强度与损伤度 根据损伤力学的原理,材料的损伤因子 D 定义为 出现损伤的面积 AD与原始面积 A0之比,即 D = AD / A0 . (4) 而连续因子 追 = 1 - D. 损伤力学发展至今,损伤变量的表征一直存在争 论. 有很多研究者用直接或间接的物理学和力学的方 法来测量它们. 在现有的设备中,可以利用 X 光摄像、 声发射、超声技术、CT 技术和红外显示技术等来间接 的测量监测试件有效面积的变化,从而计算岩体的损 伤因子. 在实际工程中的岩体处于复杂的地质环境 中,测量岩体损伤的面积或没有受损的面积是比较困 难的. Zhou 等[19] 应用岩体声波的变化程度来定义岩 体的损伤变量 DV (即岩体受到扰动后声波的下降幅 度),即未受开挖扰动的原始岩体声波速度为 Vp0 ,受开 挖扰动后岩体的声波速度为 Vp ,Zhou 等人提出损伤变 量的表达式如下: DV = 1 - (Vp / Vp0 ). (5) 现场点荷载试验采用如皋市原野勘查机械厂生产 的 SD鄄鄄1 数码点荷载仪. 试样通过现场随机拾得的岩 块,为了减小现场试验的随机性和误差,本实验一共在 20 处不同的测点对近 300 个试样进行现场测试,并对 每个测点的岩体进行现场声波测试. 根据现场点荷载 强度测试结果,试验岩块根据不同破坏方式分成两种 类,一类是完整岩块的破坏,另一类是沿节理面的破 坏,如图 1 所示,其中(a)为完整岩块的破坏图,( b)为 沿节理面破坏的岩块. 岩石本身就是一种复杂的材料,并且表现出各向 异性. 无法用有效的方法直接测量岩体内部受损的程 度. 因此,笔者提出用点荷载强度来计算岩体的损伤 度,即强度损伤度. 假设完整的岩块,内部完全没有任 何的微裂隙,即连续介质. 岩块受到不同程度的外界 扰动后,内部会出现不同程度的微裂隙和宏观裂隙,这 将导致岩体内部结构遭到破坏,完整性降低,从而导致 岩体强度降低. 虽然无法准确测量岩块的受损面积, 但是可以准确测量岩块损伤后的残余强度. 因此通过 现场点荷载强度的不同破坏方式提出一种新的损伤度 的计算方法. 结合损伤力学的概念,假设完整岩块的破坏为无 损状态下的破坏,沿节理面破坏的岩块为损伤岩块的 破坏. 则强度损伤度 SD 可以表示为 ·176·