巖體力學(xué)特性及其參數(shù)確定

關(guān)于巖體力學(xué)特性及其參數(shù)確定第1頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體的力學(xué)特性

巖體破壞可以分為脆性破壞和塑性破壞兩種形式。由于巖體賦存環(huán)境的變異性，不能期望得到巖體參數(shù)的精確值，只能通過實驗室試驗或通過對巖體宏觀特性的統(tǒng)計分析來預(yù)測或估算巖體強度和變形的可能范圍。經(jīng)過試驗對比，一般都認(rèn)為諸如彈性模量、粘聚力和抗拉強度等煤巖體力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)取值往往只有煤巖塊相應(yīng)參數(shù)值的1／5~1／3，有的差別可能更大，比值達(dá)到1／20～1／10，而煤巖體的泊松比一般為煤巖塊泊松比的1．2～1.4倍。第2頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體的力學(xué)特性

巖石的力學(xué)特性是通過實驗室的三軸壓縮試驗獲得的，實驗室三軸壓縮試驗可分為常規(guī)試驗和真三軸試驗，其中常規(guī)三軸試驗是在徑向壓力(圍壓)σr(σr=σ2=σ3)不變的情況下，增加軸向壓力σ1直到巖石試件破壞，得到某一圍壓作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過改變圍壓大小，得到一組不同圍壓作用下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。而真三軸壓縮試驗是在不同的側(cè)壓作用下，即σ2≠σ3時，獲得的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線。第3頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體的力學(xué)特性一、巖石單軸壓縮試驗圖5-1不同巖性巖石單軸壓縮試驗的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)泥巖；(b)砂質(zhì)頁巖；(c)細(xì)砂巖；(d)中砂巖第4頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體的力學(xué)特性二、巖石三軸壓縮試驗圖5-2巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及體積應(yīng)變曲線(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)體積應(yīng)變曲線

大量的巖石三軸試驗表明：巖石的塑性軟化特性和剪脹性是巖石材料的特有性質(zhì)，研究煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性時，尤其要充分考慮這兩大特性。第5頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定一、描述巖體力學(xué)特性的參數(shù)

巖石的力學(xué)參數(shù)是通過實驗室三軸壓縮試驗獲得的，主要包括楊氏模量E、材料的泊松比μ、抗拉強度σt、體積力γ、粘聚力C、內(nèi)摩擦角、剪脹角ψ等。

在巖土工程中，一般常用粘聚力和內(nèi)摩擦角描述巖石的力學(xué)特性。本文從工程實用的角度出發(fā)，根據(jù)粘聚力和內(nèi)摩擦角的概念，引入廣義粘聚力、廣義內(nèi)摩擦角和廣義剪脹角，以此描述巖體的力學(xué)特性。

第6頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三

根據(jù)庫侖準(zhǔn)則τ=C+σtan，τ是C和tan的線性函數(shù)，可以通過弱化C和tan來描述巖石的峰后軟化特性。根據(jù)實驗室試驗，假設(shè)C和tan服從軟化規(guī)律：巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定一、描述巖體力學(xué)特性的參數(shù)式中rp——廣義塑性應(yīng)變偏量，

εijp——塑性應(yīng)變偏量。

令

，則上式變?yōu)椋?/p>

第7頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定一、描述巖體力學(xué)特性的參數(shù)式中C——瞬時廣義粘聚力；

—瞬時廣義內(nèi)摩擦角；

Co——峰值廣義粘聚力；o——峰值廣義內(nèi)摩擦角；

Cm——殘余廣義粘聚力；m——殘余廣義內(nèi)摩擦角；rc----廣義粘聚力軟化系數(shù)，反映了廣義粘聚力的軟化程度；

r——廣義內(nèi)摩擦角軟化系數(shù)，反映了廣義內(nèi)摩擦角的軟化程度；

bc——廣義粘聚力軟化常數(shù)，反映了廣義粘聚力的軟化速度；

b——廣義內(nèi)摩擦角軟化常數(shù)，反映了廣義內(nèi)摩擦角的軟化速度。rc、r、bc、b均為圍壓的函數(shù)。第8頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定二、確定巖體的體積模量K和剪切模量G楊氏模量E和泊松比μ是表征材料力學(xué)屬性的兩個重要參數(shù)。但在一些情況下，E和μ并不能十分有效地反映材料的力學(xué)行為，如變形等。因此在一些數(shù)值模擬軟件中(如FLAC和UDEC)，一般采用體積模量K和剪切模量G。K和G均由楊氏模量E和泊松比μ轉(zhuǎn)化而來，它們的關(guān)系如下：

需要注意，當(dāng)μ接近0．5時，K可能會趨于無窮大，此時不能盲目地進行計算，應(yīng)根據(jù)力學(xué)試驗或P波波速進行估算。

第9頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定二、確定巖體的體積模量K和剪切模量G

此外，巖體的剪切模量還可由下式獲得：式中G——巖體剪切模量；

Gr——完整巖石剪切模量；

Ks——節(jié)理剪切剛度；

s——節(jié)理間距。第10頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定三、巖體變形模量的確定

(1)巖體的變形特性一般由變形模量Em來表征，如果巖體包含一組相對平行、連續(xù)并具均勻間距的節(jié)理時，可以將巖體視為等價的橫觀各向同性連續(xù)體，由下式進行巖體變形模量的估計：式中Em——巖體楊氏模量；

Er——完整巖石楊氏模量；

Kn——節(jié)理法向剛度；

S——節(jié)理間距。第11頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定三、巖體變形模量的確定實際上巖體的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)十分不規(guī)則，利用上述方法很難獲得足夠有效的數(shù)據(jù)。此時Em與成組巖體結(jié)構(gòu)面的幾何力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，包括結(jié)構(gòu)面組數(shù)m、各組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀nl、法線密度λ和平均半徑a、各組面的抗剪強度及受力狀態(tài)(k與h)以及裂瞧水壓力比及R。則Em可以寫作如下兩式：第12頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法Hoek-Brown強度準(zhǔn)則是Hoek等人在參考Griffith經(jīng)典強度理論的基礎(chǔ)上,通過大量試驗,于1980年提出的巖體非線性破壞經(jīng)驗準(zhǔn)則。其適用于法向拉力下的Griffith準(zhǔn)則和法向壓力下的破壞條件,用拋物線來擬合破壞時的實測數(shù)據(jù),提出了用于確定開挖巖體強度的經(jīng)驗準(zhǔn)則,后來為了適應(yīng)不同應(yīng)力條件、不同質(zhì)量的巖體和方便工程應(yīng)用,做了進一步的修正,提出了基于GSI(地質(zhì)強度指標(biāo))的Hoek-Brown(2002)準(zhǔn)則。其公式為:第13頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法式中,σ1、σ3

分別為巖體破壞時的最大和最小主應(yīng)力;σci為巖石的單軸抗壓強度;mb是完整巖石巖性系數(shù)mi的消減值,具體取值由式(2)確定;s和a與巖體特性有關(guān)的材料常數(shù),取值為0~1,對完整巖石,s=1,s和a的取值由式(3)和式(4)分別確定。第14頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法GSI(地質(zhì)強度指標(biāo))表征巖體破碎程度以及巖塊鑲嵌結(jié)構(gòu);mi是完整巖石的巖性系數(shù);D是巖體遭受破壞和應(yīng)力釋放而引起擾動程度的一個衡量因子。當(dāng)式(1)中σ1=0時,巖體單軸抗壓強度為:基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第15頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法通過上述分析可知,根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則,計算巖體力學(xué)參數(shù)需要確定以下因素指標(biāo):完整巖石的單軸抗壓強度σci、地質(zhì)強度指標(biāo)GSI、完整巖石的巖性系數(shù)mi和巖體擾動因素衡量因子D。σci一般通過實驗室試驗得出,或者根據(jù)現(xiàn)場條件通過點載荷試驗等方法確定。mi的取值與巖石類型及特性有關(guān),取值為1~50,具體根據(jù)表1來確定?；贖oek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第16頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法巖體擾動因素衡量因子D需要根據(jù)巖體工程所受的擾動程度來確定,完整巖體中未遭受擾動時取值為0,受到強烈擾動時取值為1,即D=0~1?；贖oek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第17頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第18頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法GSI根據(jù)巖體所處的地質(zhì)環(huán)境、巖體結(jié)構(gòu)特性和表面特性來確定。但以往在巖體結(jié)構(gòu)的描述或巖體結(jié)構(gòu)的形態(tài)描述中缺乏定量化,難以準(zhǔn)確確定巖體的GSI值。為使其描述定量化,引入巖體質(zhì)量RMR分級法定量確定巖體質(zhì)量等級。根據(jù)Z.T.Bieniawski研究認(rèn)為,修正后的RMR指標(biāo)值與GSI值具有等效關(guān)系,確定修正后的RMR指標(biāo)值,即得出GSI值?；贖oek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第19頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法RMR分級方法是采用多因素得分,然后求其代數(shù)和(RMR值)來評價巖體質(zhì)量。參與評分的6因素是:巖石單軸抗壓強度;巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD;節(jié)理間距;節(jié)理性狀;地下水狀態(tài);節(jié)理產(chǎn)狀與巷道軸線的關(guān)系。在1989年的修正版中,不但對評分標(biāo)準(zhǔn)進行了修正,而且對第4項因素進行了詳細(xì)分解,即節(jié)理性狀包括:節(jié)理長度;間隙;粗糙度;充填物性質(zhì)和厚度;風(fēng)化程度。基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第20頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體參數(shù)的確定方法巖體參數(shù)的確定方法多種多樣，本著參數(shù)選擇合理和易于獲取的原則，我們對如下方法進行探討：室內(nèi)試驗、位移反分析、現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)計算。1．1室內(nèi)試驗這種方法應(yīng)用最多，工程界最熟悉。主要有：通過巖體的單軸壓縮試驗確定巖體的單軸抗壓強度，彈性模量和泊松比。通過巖體的三軸壓縮試驗確定巖體的抗剪強度——內(nèi)聚力和摩擦角。通過巖體卸圍壓試驗研究巖體卸荷過程中的變形和能量變化特點，確定卸載時巖體的參數(shù)，如彈模、泊松比、內(nèi)聚力、摩擦角?；贖oek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第21頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體參數(shù)的確定方法1．2位移反分析位移反分析方法是根據(jù)現(xiàn)場實測的位移值，計算地應(yīng)力和材料性質(zhì)等參數(shù)，可采用解析法、有限元等方法以及彈性、彈塑性等本構(gòu)模型進行求解。而位移反分析的方法主要分為兩類：直接逼近法和逆過程法。由于圍巖本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，目前的逆過程方法的位移反分析研究計算大都采用了線彈性等假設(shè)，這樣就與工程實際情況相去甚遠(yuǎn)?；贖oek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第22頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體參數(shù)的確定方法1．3現(xiàn)場原位試驗1)巖體抗剪試驗。

采用平推法直剪試驗。先開挖一長X寬×高=3mX1．5mx1．5m的試驗洞，在試驗洞開挖以后，清除洞底受擾動巖體，在預(yù)定試驗部位手工刻鑿方形試體，試體邊長不小于50cm，高度不小于33cm，試體表面及周圍巖面應(yīng)修鑿平整。試體加工完成后澆筑加筋混凝土保護套，保護套邊長50cnl，高30cm，其下部預(yù)留1．5cm的剪切縫。在保護套養(yǎng)護10d后即可進行試驗。2)巖體變形試驗。

采用剛性承壓板法進行試驗，承壓板直徑45cm。加壓方式采用逐級一次循環(huán)法。試點加工人工刻鑿，試驗面直徑不小于70cm。試驗面起伏差應(yīng)小于5rnm?；贖oek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法第23頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三巖體參數(shù)的確定方法1．4現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)計算結(jié)合確定巖體力學(xué)參數(shù)通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，對隧道側(cè)壁和掌子面進行地質(zhì)素描，量測巖體的RQD值、不連續(xù)面間距，記錄不連續(xù)面狀況(包括張開度、粗糙度、填充物等)，以及巖體的賦存環(huán)境——地下水情況、地應(yīng)力水平。根據(jù)巖體地質(zhì)力學(xué)分類體系，對巖體的每一項指標(biāo)(巖塊的單軸抗壓強度、RQD值、不連續(xù)面間距、不連續(xù)面狀況、地下水狀況)進行打分，分別確定出巖體在干燥狀態(tài)下的RMR值(RMRi~y)