赵伟等：节理岩体数值模拟及力学参数确定 ·1545· 理分布不再具有方向性时，节理岩体可视为各向同性 其抗压强度计算结果与数值模拟结果相符，结合最大 的均质体，对应为岩体表征单元体积(REV).众多研 围压拟合确定等效的Mohr一Coulomb模型相关参数； 究表明，节理岩体强度及REV受岩块强度、不连续面 (3)将拟合所得节理岩体参数运用于边坡稳定性 强度、赋存状态及结构面与岩块组合关系等多种因素 分析，对比研究Mohr-Coulomb和Hoek一Brown模型的 影响a, 计算结果，研究拟合所得参数的适用性及合理性 基于前人研究成果，本文节理岩体模拟及参数确 2.2节理岩体模拟 定方法的步骤如下： 某矿山边坡岩体结构面测绘结果统计分析部分结 (1)在一定域内构建能满足特定分布特征的DFN 果如图2所示.岩体节理按其产状分布类型分为A、B 模型A,并基于此构建岩体模型B,分别赋予完整岩体 两组，产状分别近似满足均匀分布和高斯分布：间距近 和含节理岩体相应参数，然后进行单轴压缩，研究其强 似满足负指数分布：由于存在众多小尺度节理，所以相 度的尺度效应并获取特征强度： 比于蓝色线的负指数分布，红色线对应的幂律分布对 (2)基于Hoek-Brown经验公式，调整GSI参数使 半迹长的分布拟合更合适. 0.025a) 0.025b 0.020 0.025 0.015 0.015 0.010 0.005 0.005 0= 20 40 60 80 100 20 4060 80 100 A组倾角() B组倾角) 0.8 0.30d 0,25 0.6 0.4 0.15 0.10 02 0.05 00 6810 10 15202530 间距/m 半迹长/m 图2节理调查结果.()A组节理倾角概率分布：(b)B组节理倾角概率分布：(c)间距概率分布：(d)半迹长概率分布 Fig.2 Survey results of joints:(a)dip angle probability distribution of Group A:(b)dip angle probability distribution of Group B:(c)space probability distribution:(d)semi-race length probability distribution 室内实验一般得到的是尺度约为0.05m的岩块 尺寸确定DFN生成域10m×10m×10m:次生岩体是 强度参数，而工程中节理岩体尺度要大得多，且现场数 指主要包含5~50m尺度的稀疏大节理和原生岩体 据采集时存在众多小节理未能详细采集：同时数值模 尺度岩石的岩体，对应生成域为100m×100m× 拟时单元精度是影响计算精度和效率的重要因素，所 100m. 以为充分考虑大多数节理对岩体强度的影响，将节理 两尺度DFN模型相关参数详见表1所示.其中原 按尺寸大小范围划分为两尺度考虑，分区间考虑而进 生岩体所含节理的详细数据现场不易采集，但其密度 行两尺度建模分析6-刀.由图2可知，现场结构面测 可由平均间距（线密度）估算，并假定其产状为随机均 绘时未能统计半迹长小于5m的节理，主要是由于现 匀分布：次生岩体所含节理相关参数可直接由测绘结 场小于该尺度的节理分组及方向性不明显且数量众多 果统计分析并修正得到，其DFN实体如图3所示. 而难以采集，故基于此确定两尺度建模分析时节理分 2.3原生岩体强度 界尺寸为5m. 基于原生岩体的DN实体建立不同尺度岩体模 基于室内实验岩石尺度和图2中节理半迹长调查 型，具体方式为首先在DFN空间中心构建实体单元模 结果，确定本文考虑的节理尺寸上下限分别为0.5m 型，然后其中被DFN裂隙切割的单元采用遍布节理模 和50m.两尺度建模时岩体分为原生岩体和次生岩 型，模型中节理的产状参数与所切割的裂隙一致，未被 体.其中原生岩体是指主要包含0.5~5m尺度的密 切割的单元不包含节理则采用Mohr-Coulomb模型. 集小节理和室内实验尺度岩石的岩体，基于最大节理 部分模型如图4所示.模型为立方体，其特征单元边赵 伟等: 节理岩体数值模拟及力学参数确定 理分布不再具有方向性时，节理岩体可视为各向同性 的均质体，对应为岩体表征单元体积( ＲEV) ． 众多研 究表明，节理岩体强度及 ＲEV 受岩块强度、不连续面 强度、赋存状态及结构面与岩块组合关系等多种因素 影响［16］． 基于前人研究成果，本文节理岩体模拟及参数确 定方法的步骤如下: ( 1) 在一定域内构建能满足特定分布特征的 DFN 模型 A，并基于此构建岩体模型 B，分别赋予完整岩体 和含节理岩体相应参数，然后进行单轴压缩，研究其强 度的尺度效应并获取特征强度; ( 2) 基于 Hoek--Brown 经验公式，调整 GSI 参数使 其抗压强度计算结果与数值模拟结果相符，结合最大 围压拟合确定等效的 Mohr--Coulomb 模型相关参数; ( 3) 将拟合所得节理岩体参数运用于边坡稳定性 分析，对比研究 Mohr--Coulomb 和 Hoek--Brown 模型的 计算结果，研究拟合所得参数的适用性及合理性． 2. 2 节理岩体模拟 某矿山边坡岩体结构面测绘结果统计分析部分结 果如图 2 所示． 岩体节理按其产状分布类型分为 A、B 两组，产状分别近似满足均匀分布和高斯分布; 间距近 似满足负指数分布; 由于存在众多小尺度节理，所以相 比于蓝色线的负指数分布，红色线对应的幂律分布对 半迹长的分布拟合更合适． 图 2 节理调查结果． ( a) A 组节理倾角概率分布; ( b) B 组节理倾角概率分布; ( c) 间距概率分布; ( d) 半迹长概率分布 Fig． 2 Survey results of joints: ( a) dip angle probability distribution of Group A; ( b) dip angle probability distribution of Group B; ( c) space probability distribution; ( d) semi-trace length probability distribution 室内实验一般得到的是尺度约为 0. 05 m 的岩块 强度参数，而工程中节理岩体尺度要大得多，且现场数 据采集时存在众多小节理未能详细采集; 同时数值模 拟时单元精度是影响计算精度和效率的重要因素，所 以为充分考虑大多数节理对岩体强度的影响，将节理 按尺寸大小范围划分为两尺度考虑，分区间考虑而进 行两尺度建模分析［16--17］． 由图 2 可知，现场结构面测 绘时未能统计半迹长小于 5 m 的节理，主要是由于现 场小于该尺度的节理分组及方向性不明显且数量众多 而难以采集，故基于此确定两尺度建模分析时节理分 界尺寸为 5 m． 基于室内实验岩石尺度和图 2 中节理半迹长调查 结果，确定本文考虑的节理尺寸上下限分别为 0. 5 m 和 50 m． 两尺度建模时岩体分为原生岩体和次生岩 体． 其中原生岩体是指主要包含 0. 5 ～ 5 m 尺度的密 集小节理和室内实验尺度岩石的岩体，基于最大节理 尺寸确定 DFN 生成域 10 m × 10 m × 10 m; 次生岩体是 指主要包含 5 ～ 50 m 尺度的稀疏大节理和原生岩体 尺度岩 石 的 岩 体，对 应 生 成 域 为 100 m × 100 m × 100 m． 两尺度 DFN 模型相关参数详见表 1 所示． 其中原 生岩体所含节理的详细数据现场不易采集，但其密度 可由平均间距( 线密度) 估算，并假定其产状为随机均 匀分布; 次生岩体所含节理相关参数可直接由测绘结 果统计分析并修正得到，其 DFN 实体如图 3 所示． 2. 3 原生岩体强度 基于原生岩体的 DFN 实体建立不同尺度岩体模 型，具体方式为首先在 DFN 空间中心构建实体单元模 型，然后其中被 DFN 裂隙切割的单元采用遍布节理模 型，模型中节理的产状参数与所切割的裂隙一致，未被 切割的单元不包含节理则采用 Mohr--Coulomb 模型． 部分模型如图 4 所示． 模型为立方体，其特征单元边 · 5451 ·