岩体力学参数论文（通用7篇）
岩体力学参数论文 篇1
0 引言
岩体是经受过变形、遭受过破坏的地质体或地质体的一部分, 它具有一定的物质组成、结构形式、赋存状态并处于一定的地质环境之中[1]。
岩体力学参数是岩体力学分析输入的必要参数, 主要包括变形参数、强度参数和流变参数等。这些参数取值的准确与否在很大程度上决定了力学分析成果的可靠性。因此研究岩体物理力学参数的取值方法具有较大的现实意义。
1 岩体力学参数取值方法
1.1 试验法
试验法是确定岩体力学参数的最基本方法, 试验法包括室内试验和原位试验。室内试验主要包括单轴抗压强度试验, 单轴压缩变形试验, 三轴压缩变形试验, 抗拉强度试验, 点荷载强度试验, 室内试验可测定岩石的单轴抗压强度、岩石抗剪强度、岩石抗拉强度、岩石弹性模量及泊松比等岩石力学参数。
岩体力学参数试验根据工程需要及试验目的确定相应的试验方法, 测得岩体力学参数基本指标, 力学参数换算指标根据试验所得的基本指标进行换算。由于岩体岩性、结构及赋存环境等十分复杂, 现场岩块取样及试验选点离散性大, 导致岩体试验参数存在较大的随机性及不确定性。对于如何选取具有代表性岩体试验参数, 很多学者进行了研究和总结, 其选取方法主要是将试验成果按工程地质单元分类, 以岩体工程分类为依据编著单项试验成果和多项试验成果汇总表, 用最小二乘法、随机—模糊法、可靠度分析、综合模糊评判、分形、偏最小二乘法等多种方法进行研究和计算, 可以得到具有代表性的力学参数。
1.2 经验类比法
1.2.1 根据《工程岩体分级标准》估算岩体力学参数[3]
《工程岩体分级标准》提出了由定性划分、定量指标两种手段确定岩体基本质量的方法。岩体基本级别, 在定性划分时, 岩石的坚硬程度是根据锤击声、回弹程度、击碎难易和浸水后的反应来确定;岩体完整程度则是根据岩体中结构面的发育程度和结合程度来确定。岩体基本质量分级共分5级。
岩体基本质量级别, 在定量划分时是根据岩体基本质量指标BQ的大小来确定。
BQ=90+3σc+250Kv。
其中, σc为岩石单轴饱和抗压强度, MPa;Kv为岩体完整性系数, 为岩体声波纵波波速与岩石声波纵波波速的平方比。在计算出岩体基本质量指标BQ值并按规范规定修正后, 对岩体进行工程分级, 然后估算岩体力学参数。
1.2.2 根据Hoek-Brown经验强度准则估算岩体力学参数
1980年, Hoek和Brown在对几百组岩石三轴试验资料和大量岩体现场试验成果统计分析的基础上, 得出了岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系式, 即Hoek-Brown经验强度准则, 并给出了各种岩石和岩体的经验参数m和s的值[4]。
其中, σ1, σ3分别为破坏时的最大、最小主应力 (压力为正) ;σc为岩块的单轴抗压强度;m, s为参数, 取决于岩石的性质, 以及在达到破坏应力σ1, σ3时岩石的破坏程度, m主要反映岩石的软硬程度, 其取值范围在0.001～25之间, s主要与岩石内部颗粒间抗拉强度和颗粒间啮合程度有关, 其取值范围在0～1之间。
岩块单轴抗压强度可由单轴抗压试验或点荷载试验确定。强度参数m, s除可按照Hoek-Brown的建议值[4]近似估算外, 还可在室内由岩块三轴试验, 大剪试验统计计算, 在野外据岩体分类指标RMR和Q分类指标估算m, s的值。
Q系统分类法是挪威学者Barton于1974年提出的[5], 它主要考虑岩体质量指标RQD、节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理蚀变程度Ja、裂隙水影响因素Jw以及地应力影响因素SRF等指标。其计算式为
RMR分类法是Bieniawski于1973年～1975年提出的, 该分类方法共有岩块单轴抗压强度、岩体质量指标RQD、节理间距、节理面性状、地下水条件及节理产状6个基本参数, 其中3个为定量参数, 3个为定性参数, 所以该分类方法也是一个半定量半定性分类方法。根据RMR分类法可将岩体分为5级。
1980年Hoek根据Bieniawski提供的数据建立岩体变形模量E与RMR的关系式:
E=2RMR-100 (当RMR>50时) ;
E=10 (RMR-10) /40 (当RMR<50时) 。
1983年Seriafin和Pereira提供了新的数据并建议用以下关系式, 即由RMR指标和Q指标近似估算岩体的变形模量:E=10 (RMR-10) /40=25lgQ。
根据Hoek研究RMR与m, s的关系式:
扰动岩体:
未扰动或完整岩体:
根据上式计算m, s值由Hoek-Brown强度准则估算岩体强度。
1.3综合法确定岩体力学参数
综合法是将室内试验与数值分析法相结合的一种确定岩体物理力学参数的方法。该方法在详细工程地质调查的基础上, 通过取样试验确定岩块及结构面的物理力学参数。根据现场地质调查结果和岩体结构特征概化地质模型, 研究岩体的变形机制、岩体破坏机制及地质环境因素抽象岩体力学模型。选用适当的分析软件如FLAC3D分析岩体的物理力学参数, 然后通过物理力学模型试验或实际工程检验所确定参数的正确性。
1.4反分析法确定岩体力学参数
反分析法是20世纪70年代用于岩体参数取值及有关岩体工程地质问题评价和预测的一种数值方法, 是在已有位移观测资料的基础上, 通过求解逆方程得到岩体参数。
岩土工程反分析包括位移反分析、应变反分析、应力反分析、地下水渗流场反分析等。所采用的力学模型有弹性模型、弹塑性模型和粘弹性模型等。
2结语
本文对目前常用的求取岩体物理力学参数的方法作了简要的总结介绍, 试验法是求取岩体物理力学参数最直接最基本的方法, 但该方法受试样的影响较大, 试验周期长、费用较高。经验类比法是在总结前人研究结果的基础上, 根据前人建立的岩体分级标准及强度准则, 在详细地质调查的基础上估算岩体物理力学参数的一种方法, 但其估算精度受人为因素影响较大。综合法是目前研究较热的岩体力学参数取值方法, 由于各种本构模型及计算软件的出现, 人们可以采用多种方法计算岩体物理力学参数, 通过实际工程检测或模型试验检验其正确性。反分析法也是一种发展较快的方法, 它通过工程过程中测量参数用一定的本构模型反演岩体的力学参数, 具有反映地质因素全面, 力学参数可靠等特点。除此之外, 确定岩体物理力学参数的方法还有很多, 如神经网络、灰色理论等。
参考文献
[1]薛守义, 刘汉东.岩体工程学科性质透视[M].郑州:黄河水利出版社, 2002:7.
[2]Muller.岩石力学基本原理及其在地面—地下工程稳定性分析中的应用[J].水电站设计, 1987 (1) :1-4.
[3]GB 50218-94, 工程岩体分级标准[S].
[4]宋建波.岩体经验强度准则估算岩基强度参数和变形模量的方法[J].地质灾害与环境保护, 2000, 11 (4) :76-77.
[5]蔡斌.工程岩体分级标准与Q分类法、RMR分类法的关系及变形参数估算[J].岩石力学与工程学报, 2001 (10) :1677-1679.
岩体力学参数论文 篇2
青岛坐落于大面积分布的燕山晚期花岗岩上,具有良好的地质条件,而且青岛市地铁一期工程,80%以上的线路处于花岗岩中,其余隧道处于第四系地层中。青岛市特有的花岗岩地质条件,对土建方面而言,将节约大量的投资,土建造价大大低于其他城市,所以对青岛地铁上覆岩层岩体力学参数的研究就有其重要意义!所以本文研究任务是针对现有规范对青岛地下工程设计不尽适应的问题,利用青岛地铁水清沟试验段的观测资料,对青岛地铁上覆岩层岩体力学参数进行验算和反演,为青岛地区岩体分类进一步研究打下基础。极限分析有限元法在边坡稳定分析中取得了成功[1,2],并逐渐在地基、基坑稳定分析中得到推广应用[3]。郑颖人、胡文清、张黎明等人[4,5,6]开始将有限元强度折减法应用于隧道,由此求得隧道的剪切安全系数。这就给我们提出了一个新的思路,通过安全系数反演岩体的力学参数,进一步修正岩体力学参数,最终得到适合青岛地铁上覆岩层的岩体力学参数。
1 剪切安全系数的定义
安全系数是指剪切破坏面上实际岩土体的强度与破坏时的强度的比值。就是事先假定一滑动面,根据力(矩)的平衡来计算安全系数。将安全系数定义为沿滑面的抗剪强度与滑面上实际剪力的比值,如式(1)所示:
式中,ω———传统的强度折减安全系数;s———滑动面上各点的抗剪强度;τ——滑动面上各点的实际剪应力。将式(1)两边同除以,则式(1)变为:
可见,极限平衡法是将岩土体的抗剪强度指标c和tanφ减少为,使得岩土工程达到极限稳定状态时的ω即为安全系数,实际上就是强度折减系数。
2 工程概况
青岛地铁试验段工程选取了地质条件具有代表性的区间(水清沟~国棉五厂),由1200m的区间隧道和218m的青纺医院站组成。
青岛地铁试验段区间隧道为双洞单线,双洞之间的距离为9m,区间隧道埋深为10~20米,横断面型式为直墙三心圆拱,跨度为4.86m,直墙高3.54m,拱高1.82m。计算选取三个不同埋深的截面,分别为10m、14m和18m。
岩体主要为花岗岩,处于微~未风化带,结构、构造清晰,岩体以整体块状结构为主,完整性好,根据国际《工程岩体分级标准》GB50218-94,分别属于Ⅱ、Ⅲ类围岩。
在节理方面:产状走向以NE~NEE向为主体,其次以NW~NWW向,倾角70~80度为主,部分50度左右,节理裂隙存在一定程度的未贯通岩桥,裂隙连通率统计在24~75%,结构面紧闭,岩块坚硬。结构面以闭合~微张裂隙为主,平面光滑,犹如刀切。
3 均质岩质隧道围岩稳定分析
计算按照平面应变问题来处理,准则采用DP4准则,边界范围取底部及左右两侧各5倍隧道跨度[2],地面超载按照国家规范标准20KN/m2,按照《工程岩体分级标准》,各级围岩的物理力学指标标准值如表1,下标上下表示围岩的上下限。
经过ANSYS有限元计算,逐步折减强度参数,分别得到各种工况的剪切破坏安全系数见表2,分析发现:(1)安全系数随埋深深度减少,明显出现两侧直墙先破坏;(2)通过破坏时等效塑性应变图可找出最大应变发生在拱角和墙角处,而且根据围岩等效塑性应变发生突变时各断面中等效塑性应变最大点的位置,可以发现围岩的潜在破裂面。
在Ⅱ上围岩下、埋深18米的工况下,隧道的塑性区和应力应变图如图1、图2所示。
4 节理裂隙岩质隧道围岩稳定分析和岩体力学参数反演
选取埋深18米的断面,因为埋深18米的跨度最长,且通过地质勘探发现大部分为微~未风化花岗岩,且所处断面最上面基本没有覆土层,分别属于Ⅱ、Ⅲ类围岩。为了简化模型,考虑如下情况:只考虑一组起重要作用的结构面(产状走向为NE~NEE向),倾角75°,间距2.5米,贯通率为75%。各级围岩参数见表3。
注:岩石力学参数选自于《青岛地铁一期工程青纺医院试验段岩土工程勘察报告》,结构面强度参数主要参考《公路隧道设计规范》中的岩体结构面抗剪断峰值强度表。
经过有限元强度折减,最终分别得到各类围岩下的安全系数见表4。
在Ⅱ上围岩下、埋深18米的工况下,隧道的塑性区和应力应变图如图3、图4所示。
所以在埋深18m情况下,通过均质岩质中给出的安全系数与节理裂隙岩质的安全系数比较,进行反演,最终在表5中,对一、二、三类围岩岩体的强度参数提出了建议值。
对表5中给出的各级围岩岩体的强度参数建议值研究发现:对II类和III类围岩的,值较规范值增大,这说明青岛地铁上覆岩层主要是花岗岩,岩性好,所以岩体强度参数建议值要大于规范中的给定值。
最后通过《青岛地铁第一期工程水清沟———青纺医院试验段施工地质、变形量测、环境检测总结报告》中的位移检测,验证了反演的强度参数建议值的合理性。
最终通过分析发现:相对于青岛花岗岩地区,规范中给出的岩体分类的强度参数偏低,按照规范中的参数进行设计就会偏于保守,所以针对青岛地区花岗岩的岩性特征,笔者对规范中给出的岩体分类的强度参数做了修正,为进一步确定了青岛地铁上覆岩层岩体分类打下基础。
参考文献
[1]赵尚毅,郑颖人,时卫民等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346.
[2]赵尚毅,郑颖人,邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):254-260.
[3]郑颖人,赵尚毅,孔位学等.岩土工程极限分析有限元法及其应用[J].岩土力学,2005,26(1):163-168.
[4]张黎明,郑颖人等.有限元强度折减法在公路隧道中的应用探讨[J].岩土力学,2007,28(1):97-101.
[5]郑颖人,胡文清,王敬林.强度折减有限元法及其在隧道与地下洞室工程中的应用[A].中国土木工程学会第十一届隧道及地下工程分会第十三届年会论文集[C].2004.
岩体力学参数论文 篇3
关键词：新奥法,岩体力学参数,单轴抗压强度
0 引言
在现时的公路建设中,为满足线型、车速、里程、生态环境等要求,隧道工程已被大量采用。建设环境的不可预知性是隧道工程最大的特点,在施工中,开挖的围岩与设计不符的情况屡见不鲜。
鉴于此,新奥法(NATM)被流行地应用于隧道工程工作中。而施工监控量测则是新奥法施工方法中的重要工序之一。
施工监控量测是将施工过程中的围岩稳定性、支护结构承载能力、初期补强及二次衬砌合理的施作时间、开挖揭露岩体的力学参数等情况反馈给设计与施工以达到优化设计参数、优化施工方案及施工工艺目的的工序。
1 岩体力学参数的重要性及其在新奥法施工中的现状
监控量测的内容在相关技术规范中已做了相关规定,着重于对揭露围岩情况的观察以及开挖洞室的净空变化、围岩的蠕变趋势、结构及围岩的应力、应变及位移大小量测等。由这些监控数据在指导施工中起到了很直观、重要的作用。但是对岩体的力学参数测试包括抗压强度、变形模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比、围岩完整性指数、应力强度比等没有引起足够的重视。只有在少数工程中对力学参数进行了监测。在进行隧道的围岩基本质量分级和力学建模计算分析时,这些参数是必不可少的。
对于工程岩体这样复杂多变的隧道工程,为了选择一条正确的设计途径,一方面要使经验方法科学化;另一方面还要使设计中所进行的力学计算具有实际背景。
为了做到这点,现场的监控测试就应该提供更多的依据,这样才能把力学计算和实际情况更好的结合。
现在的勘察设计单位都存在时间紧、任务重的问题,勘察单位不能对隧道的地质情况做详细细致的勘察工作,而设计单位也只能根据勘察单位提供的有限的勘察资料更多的采用工程类比法进行设计。
然而隧道的围岩揭露情况与勘察情况有很大一部分不相符。在出现不相符时,设计单位只能根据监控单位和施工单位提供的资料进行设计变更。
变更时分两种情况,第一种,设计偏弱,设计只能根据有限的资料进行一定的补强设计;第二种,设计偏强,实际工作中,此种情况一般未变更设计。
第一种情况,在实际工作中影响施工进度,有时还给工程留下隐患,甚至造成质量安全事故;第二种情况,使工程不能体现其经济性,甚至造成不必要的浪费。要想隧道工程设计更加科学合理,设计方就必须要有足够的资料作为设计的背景。在施工过程中,监控量测作为提供设计资料背景方,应该不仅要为设计方提供净空变化、围岩的蠕变趋势、结构及围岩的应力、应变及位移大小等作为宏观判断设计合理性的依据,还应提供更细致的岩体的力学参数为隧道的力学计算提供直观依据,这样才能更为科学、经济的完成整个隧道的新奥法设计、施工。
2 岩体力学参数测试和计算方法简介
2.1抗压强度是指岩石单轴饱和抗压强度(RC),按照抗压强度试验的试件的尺寸、精度、含水率制作试件,以0.5~1MPa/s的速度加载直到破坏,记录试件破坏形态,逐级记录荷载及应变值,并绘制应力与纵向应变和横向应变曲线图,按照计算其单轴抗压强度,按照计算平均弹性模量、平均泊松比(σa,σb分别为曲线上直线段始点、终点应力值,εa-εb分别为σa,σb处纵向应变值,εda-εdb分别为σa,σb处横向应变值)。
2.2黏聚力、内摩擦角可由原位试验得到。
2.3围岩完整性指数可以由求得,纵波、横波速度可以用岩石超声波参数测定仪、纵横波换能器测得。
2.4应力强度比可由式计算得到,σmax为岩体的最大主应力。
3 结论及改善建议
逐步的优化设计、施工参数,使隧道工程建设经济、科学、安全的完成,使新奥法施工广泛应用于隧道工程修建的主要原因,但此种施工方法只是更多的反馈于施工,在设计中其作用还未得到更好体现。
要想新奥法中的监控量测结果更好地反馈于设计,岩体的力学参数的监测在监控量测中的重要性就必须得到体现。
岩体的力学参数的监测在隧道施工监控量测中很少实施,原因是隧道工程实施的相关人员未意识到此项工作的重要性。为了新奥法能更好的应用到隧道设计、施工生产中去,相关人员应对此项工作的作用给予足够的重视,配备相应的人员和设备来完成此项工作。
参考文献
[1]宰金珉.岩土工程测试与监测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[2]王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2005.
岩体力学参数论文 篇4
关键词：矿山工程,广义Hoek-Brown准则,GSI法,岩体力学参数
Hoek-Brown强度准则是Hoek等人根据岩石特性的理论和实践经验总结提出的岩石和岩体破坏时的判据。由于其考虑了岩体的结构、岩石强度和所受应力状态等综合因素, 目前, 该准则已在岩土工程领域中得到了广泛应用。
节理化岩体力学参数是矿山工程地质和稳定性分析的重要基础数据, 是影响矿山设计、施工的重要因素和指标。由于节理化岩体含有节理裂隙, 导致试件不合理或试件尺寸不符, 因此, 很难确定节理化岩体的力学参数。然而, 广义Hoek-Brown准则提出了一种确定节理化岩体力学参数的新方法——地质强度指标GSI法 (Geological Strength Index) , 这是一条简单而经济的新途径。GSI值的确定也为岩体稳定性强度折减提供了数据来源。
岩体的抗剪强度等力学参数也可以利用Hoek-Brown破坏准则计算, 但都较为烦琐。本文基于广义Hoek-Brown强度准则, 采用GSI法, 更加方便、快捷地将岩石的内聚力c值、内摩擦角φ值转化为岩体的c值、φ值, 使其更方便于工程应用。
1 广义Hoek-Brown准则
Hoek-Brown破坏准则最初适用于估算完整、坚硬的岩体的力学参数, 是半经验强度准则。2002年, Hoek等人针对最初的强度准则在实际工程应用中出现的问题, 综合考虑了岩体结构、岩石强度和应力状态等因素的影响, 并进行了修正, 得出了岩体破坏的经验准则, 称之为“广义Hoek-Brown准则”, 并给出了各类岩体经验参数值。其表达式为:
式 (1) (2) 中:σ1——岩体破坏时有效的最大主应力, MPa;
3σ——岩体破坏时有效的最小主应力, MPa;
cσ——岩块单轴的抗压强度;
mb——经验参数m的值;
s——与岩体特征有关的常数;
α——与岩体特征有关的常数;
mi——材料常数, 由岩石三轴试验获取;
exp——指数, exp (x) =ex;
GSI——地质强度指标;
D——考虑扰动因素的弱化系数, 范围在0~1之间, 由岩体受扰动的方式和程度决定;
e——自然常数, 约为2.718 28。
式 (2) 给出了式 (1) 参数的计算方法。式 (1) 反映了岩体的非线性破坏特征, 同时, 在一定的围压条件下 (0<σ3<σc/4) , 广义Hoek-Brown准则可表示岩体破坏面上正、剪应力的形式, 进而可在Mohr-Coulomb准则中估算抗剪等力学参数。这2个准则强度参数的表达式为:
式 (3) 中:σ3n=σ3max/σc;
σ3max——最小主应力上限值, 取决于岩体类型。
2 地质强度指标
地质强度指标 (GSI) 是Hoek等人在1994年提出的一种新的岩体分级系统, GSI系统是专门用于解释不连续面或节理的岩体性质而开发的一种方法, 这些岩体性质影响着岩体的强度和变形。国外岩土工程界广泛运用该方法估算隧道、地下硐室和边坡岩体的强度等参数和稳定性。
研究表明, 节理岩体强度取决于完整岩块的性质和施加一系列应力条件下这些岩块表面上的滑移和旋转的自由度。这种自由度不仅取决于完整岩块的形状, 也取决于表面分离自由度的情况。GSI系统试图解释岩体的这2种特征。岩体的块度、级别、连锁反应和不连续表面的条件共同描述了岩体的结构。岩体的GSI值根据岩体结构特征和结构面表面条件估算。参考表1并结合一些经验, 就可以得到岩体的GSI值。
3 工程应用
3.1 工程背景
赤峰中色白音诺尔矿业有限公司二矿区的围岩主要有闪长玢岩、结晶灰岩、闪长岩和石英斑岩等, 矿山经过30多年的开采, 遗留下大量的采空区, 准确获取矿山围岩的岩体力学参数和提供基础数据, 对矿山采空区稳定性分析等有重要的现实意义。
3.2 现场工程地质调查
分别对赤峰中色白音诺尔矿业有限公司二矿区950 m中段和900 m中段进行了调查评估, 共计描述和测量了100余条节理裂隙特征, 详细记录了调查面的风化、粗糙程度, 并参照表1评估了GSI值, 评估结果如表2所示。
3.3 计算分析
前期在实验室已经对矿山的4种主要岩性进行了室内三轴试验 (内摩擦角和内聚力试验) , 并对每种岩性进行3~5组不同围压的实验, 获取了对应的σ1和σ3数据。
借助基于以上原理的国外某岩土分析软件, 带入岩石三轴试验数据, 得出了岩石的c值和φ值, 如图1所示。
基于以上调查的GSI值并输入扰动系数等折剪参数, 进行了岩体力学参数的计算, 如图2和图3所示。
由于该软件支持直接输入广义Hoek-Brown准则中相应的参数, 可以计算满足非线性Hoek-Brown关系的破坏条件, 且不需要编程, 就能得出岩体的c值和φ值。计算结果如表3和表4所示。
4 结论
深部岩体力学特性的问题思考 篇5
随着社会发展、经济建设以及国家安全的新需求,地下空间开发不断走向深部已成为必然趋势。深部岩体由于其结构特点、变形特点、高应力状态的临界特点及其结构与含能特点等,使得其力学特性与浅部岩体相比具有显著不同[1]。近年来,深部岩体力学特性的研究成为岩体力学研究的重要课题。深部岩体的主要特征表现为应力与应变的关系呈非线性,深部工程中所出现的非线性岩石力学问题已成为国内外研究的焦点,正在形成岩石力学新的分支———深部非线性岩体力学[2]。
1 深部岩体力学特性的研究现状
1.1 国内外关于深部的概念界定
目前国内外在“深部”及“深部工程”等一系列概念上差异较大,至今也没有明确的概念和划分标准,在很大程度上影响了深部岩体力学研究的发展和交流。
近年来国内外许多学者对深部及深部工程的科学定义进行了研究。何满潮[3]提出把工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下的深度区间称为深部,并提出临界深度、上临界深度、下临界深度的概念,建立了深部工程的评价指标体系。钱七虎[4]根据深部岩体工程中出现新的特征科学现象的情况,提出基于分区破裂化现象来界定深部岩体工程,可以得到深部岩体工程的明确的具体概念。也有人以国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深度作为进入深部工程的界限。此外,日本把深井的“临界深度”界定为600 m,英国和波兰定位为750 m,南非和加拿大等采矿业发达的国家,当深度达到800 m～1 000 m才称为深井。
1.2 深部岩体工程中的特征科学现象
随着深部岩体工程的不断发展,在深部围岩中发现了一系列新的特征科学现象,与浅部岩体工程相比具有迥异的特点。宏观上表现为大变形和大变形速率、分区破裂、应变型岩爆等现象(见图1)。
钱七虎[4]将这些新的特征科学现象归纳为两类:静力的和动力的,并对分区破裂化现象和冲击地压动力现象进行了科学解释,提出基于分区破裂化现象来界定深部岩体工程。俄罗斯科学家在实验室模拟试验中也从模拟中观测到这类分区破裂化现象。文献[5]通过岩体的本构模型和非线性理论对深部岩体中的特征科学现象进行了分析,并提出了岩体随机变形的混沌判别以及失稳的混沌预测预报方法。文献[6]对深部岩体分区破裂化进程的时间效应进行了研究,并利用蠕变理论对分区破裂化现象进行了分析和解释,提出深部高应力状态下产生的岩石分区破裂化现象是岩体经由蠕变产生的。文献[7]介绍了巷道围岩的分区破裂化相似材料的模拟试验,试验发现在离巷道一定距离形成的岩石严重破碎带不是一瞬间才出现的,而是在有应力的巷道岩体掘进中,经过一段时间才出现。
在深部岩体中,岩爆和岩体冲击地压等动力学现象也十分明显,关于岩爆的预测研究和机理分析,国内外众多学者也都作了大量的研究。文献[8]对深部岩体的动力学特性和峰值后的变形特性进行了研究分析,围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象,提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的问题。文献[9]对国内外岩爆预测的研究现状和发展趋势进行了探讨。
目前,深部岩体工程中的特征科学现象用传统的连续介质力学理论无法圆满的解释,已经引起了国际上专家学者的极大关注,成为近几年该领域的研究热点。
1.3 深部岩体工程的力学特点
深部岩体的地质力学特点决定了深部岩体工程与浅部岩体工程的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境,即高地应力、高地温、高水压的复杂力学环境。
研究表明,总体上岩石的强度随深度的增加是有所提高的,但随着岩体工程深度的增加,岩石的破坏机理也随之发生变化,由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破坏,由浅部的脆性力学响应转化为深部的潜在延性行为力学响应。但也有人认为深部岩体的破坏更多的表现为动态的突然破坏,即岩爆或矿震。
进入深部后,岩石的破坏特征主要表现为持续的强流变大变形和突发性的冲击地压现象。矿山开采中,一般认为优质硬岩不会产生明显的流变,但在深部高地应力条件下有所不同,深部环境下硬岩同样会产生明显的时间效应。在深部高应力环境中,岩石具有很强的时间效应,表现为明显的流变和蠕变,岩石的破坏往往伴随着有较大的塑性变形。目前,岩石流变试验特性主要集中在高温高压条件的实验研究和现场研究方面,由于实验室研究条件与现场实际情况有一定差距,因此实验室成果在进行外推时存在一定困难。
对于岩爆,近年来国内外众多学者针对岩爆的破坏机理和预测防治都作了大量的工作。人们已经从表观上定性的知道岩爆产生机理取决于岩体的强度、岩体中高应力累积及能量积聚,岩爆与采深有关系,即随着开采深度的增加,岩爆的发生次数、强度和规模也会随之上升。目前预报岩爆的重要参数就是岩层的位移和运动速率,但预测理论和预测方法都是基于不同的岩爆机理而得出的,由于影响岩爆发生的因素多,机制复杂,每一种预测判据只反映了某个因素对岩爆的影响,预测精度不能令人满意,关于岩爆的机理也需要做进一步研究。
2 关于深部岩体力学试验的思考
深部岩体力学特征的试验研究,必须突出深部岩体的特征,即岩体在高地应力、高温、高孔隙水压的组合作用下,所表现出的岩体力学特性的非线性。有人指出:深部岩体的变形特性主要以峰值后的岩体应力应变曲线特征进行描述,这给深部岩体的本构关系的确定带来了更大的难度。其难度主要表现为:获取应力应变全过程曲线的试验难度;同等应力水平下,应力应变全过程曲线的可重复性差的难度。此外,深部岩体的大变形中所包括的非线性的流变特性,也是试验研究的重要部分。岩体的非线性流变总体上可归纳为应变速率与应力水平、应力和应变状态以及作用的时间有关,非线性的流变特性试验研究的难点,主要表现为两方面:1)应力水平的复杂性,或者说是要研究在复杂的应力应变状态下的流变特性,包括双轴(包括平面应变条件)和三轴压缩应力在不同应力路径下、不同应力应变状态下的流变特性;2)如何真实的表现岩体的非线性流变特性。有关深部岩体非线性流变试验可以分成两大部分:完整岩石和结构面非线性流变试验。由于岩体的非线性流变可以表述为粘滞系数是应变速率、应力水平、应力和应变状态以及作用的时间的函数。由此可知,非线性流变试验的最大特点是:应力水平很高;由于开挖造成作用于岩石的应力发生了变化,即在应力调整的过程中引出了不同应力路径的问题;不可忽略完整岩石和结构面的蠕变特性;极限变形和破坏时间问题;多场(高温或低温、高孔隙水压力、高地应力)的组合作用下的耦合问题等。
3 深部岩体力学今后的研究重点
由于深部岩石力学行为以及深部灾害特征与浅部明显不同,基于浅部工程建立起来的传统理论已经不再适用,针对深部工程中存在的岩石力学问题,今后主要研究方向应该集中在深部岩石力学基本特性、深部岩石强度确定理论、深部工程岩体的本构关系以及参数确定方法等等。此外,深部工程围岩特性以及非线性动态力学设计理论,也是目前岩石力学工作者面临的挑战性问题之一。
参考文献
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岩体力学行为多层结构模型研究 篇6
1 岩体力学分析研究现状和发展
如何通过有效的方法描素岩体的力学特性一直是岩体力学的重点研究对象。通常我们直接采用模拟和等效连续介质模拟两种方法。直接模拟岩体节理和内部特性为基础, 对其各种所受应力分析。显然, 这种方法可以直观简洁的阐述出岩体真实的形态。常用的数值分析方法有有限元法和边界元法等。在有限元法中, 主要是描素节理特点。边界元法中常用节理单元或位移不连续法, 基于有限差分法的快速拉格朗日分析法 (FLAC) 也可以用于节理岩体的应力分析;对于少量节理, 可用界面单元, 而对复杂密集的节理岩体则采用遍历节理模拟。
随着计算机技术、高等数学教育、线性代数及概率试验技术与测试技术的发展, 岩石力学数值分析将不再简单的认为是一种单一的模式之内。国际上岩石力学上具有崭新的趋势。岩石工程对环境的影响越来越大, 使全球对环境保护越来越重视。岩石力学由固体力学问题向多方向各种力学性能发展。
2 岩体的力学特性及其结构模型
岩体的应力主要取决于岩体中的裂隙断面几何形态, 但是由于裂缝和天然节理的复杂性, 节理缝隙岩体所表现出来的特性是非常困难的。但是, 随着时间的推移和经验的积累加上不懈的努力, 很多问题都已经有了突破性进展。例如, 在软弱岩体地段, 各种介质都会被视作是连续体, 都是以弹性理论为核心处理的, 但是, 对于比较薄的断层和软弱的夹层, 规模比较大的节理就会以单元模拟的形式来视为客观的裂缝岩体构成的复杂关系, 这样就给研究造成了困难。近些年来, 很多国外的专家也都专注于节理裂缝岩体的研究, 取得一定的研究成果。节理岩石模型进行了多轴模式实验, 这些研究结果表明各种力学特性, 尤其在强度上各种力学性能具有不同的特点模式。对于建立关系具有一定的意义, 虽然一些力学特性仍很不充分不具有一定的代表意义, 但是具有一定的代表作用。岩石力学测试和计算在国内的发展取得一定的进步和结果, 裂隙岩体的关系和力学特性之间的关系也越来越明显出现在人们范围内。科研人员主要是把岩体抽象模型这种相对复杂的东西转变为较简单的模型, 这种模拟试验不用在户外而是在室内就可以较好地模拟出来, 完成实验构成, 并辅以一定的计算方法, 找到之间的规律性, 在规律上发现一定的特点。力学特性试验的测量则需要在室内和室外共同进行才能真实地模拟出来好的效果。这些研究仅仅是初步尝试。针对工程岩体这种大型、复杂、系统、全面的研究, 国内外都不多, 所以对与我们来说不能浅尝辄止, 而是需要我们不断探索完成实验模拟。
岩体是一种不均匀介质。在建筑过程中, 我们要需要清楚地了解它们的力学性能以及各种力学之间的关系, 是协作还是互相抗衡。为此通常需要进行相应的试验, 对岩体的力学性能和计算数据加以处理与检测, 同时理论与实际要相结合, 更多的分析计算是必不可少的。由于裂隙岩体的力学特性非常复杂, 应该说, 有关不连续岩体的计算理论知识还是很欠缺的, 因此需要很多假设以应对其不定性。
3 岩体多层结构模型理论
在工程断裂等情况, 不同的岩体结构, 在结构面中, 对影响极其大, 设计者总是将这个看作重中之重。一般情况下, 结构面数量较少, 需要一些特殊模拟在有限元分析。结构面密集需要用等效连续介质方法模拟, 需要考虑其影响。把岩石切成不同层状, 使其具有不同的方向性, 层状节理更具有向异性。假设应变和应力的主轴时刻处在重合状态, 即不考虑旋转造成的影响。然而实际工程中, 比如边坡, 由于应力主轴由旋转导致的塑性变形, 因而塑性力学不能完整的反映出岩体力学机制。
非线性本质特征是岩体特有的, 主要表现在:在变形之后, 在整体变形进入塑性前, 占主导因素的是非线性因素, 这就构成了系统中出现变形和非线性等复杂的力学行为, 而岩石力学和工程都属于自然化学工程, 在自然情况下规模大, 存在比较复杂的系统, 更是具有原始条件和环境信息的不确定性。通常, 岩体演化过程通常是一个非线性过程, 非平衡态系统力学方法无法体现的力学行为。岩石材料的分布不均匀, 岩体内应力时刻变化不定, 岩石成份更是具有不确定性, 岩体工程施工的也带来了许多的可变因素, 使得岩石力学具有非线性关系。多数工程岩土都处于弹塑性状态, 在工程设计上要考虑到岩体弹塑性问题, 而且这个特性起到至关重要的作用。
结语
随着我国社会主义经济发展, 我国对岩体研究、治理越来越重视, 其位置也越来越重要。在一些大型工业等建设中, 经常需要开挖一些坡度较高的地方。高边坡的稳定性与高边坡处理往往是工程难题也是关键的地方, 也是确保整个工程安全及人员安全、财产安全的部分。
本文在系统学习和总结前人研究成果的基础上, 结合本课题的特点, 对裂隙岩体结构模型处理与研究方法进行一定分析。将理论和实践相结合的理念对岩体力学进行更深一层的分析, 得出以下结论:分析了裂隙岩体的变形特性力学性能变化, 塑性力学原理与重要性, 包括各种岩体不同理论和准则、以及加工原理及其在实际生产中的应用问题, 并进一步揭示岩体发展的局限性。阐述了裂隙岩体分析的等效连续模型层结构模型, 详细推导了层结构模型弹塑性理论。各岩体及岩体模型的计算问题仍然是学术界研究的问题, 需指的进一步深入研究和大量的实践。
摘要：随着我国重大基础建设的深入, 西部大开发涌现出更多环境灾害下重大工程的安全问题研究, 复杂的岩土工程难题也大量涌现, 复杂岩土工程的有限元分析也具有很大难度。本文系统研究了开采与岩体力学结构研究, 从理论和实践更加深入研究, 应用多层结构模型理论来分析岩体力学性能, 制定非线性计算方法, 阐述岩体计算模型。深入研究问题, 为国家“十五”计划做出贡献。
关键词：岩体力学,非线性,模型
参考文献
地下水渗流对岩体力学性质的影响 篇7
1 机理分析
地下水是一种重要的地质营力,它与岩体之间的相互作用,一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质;另一方面改变着地下水的物理、力学性质及化学组分。运动着的地下水对岩体产生3种作用,即物理的、化学的和力学的作用[2]。
1.1 地下水对岩体的物理作用
这种作用主要是由岩石中的结合水产生的,结合水是由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在矿物表面的水,水分子运动主要受矿物表面势能的控制,这种水在矿物表面形成一层水膜,产生以下几种作用:
1)润滑作用[3]。由可溶盐、胶体矿物连接成的岩石,当有水浸入时,可溶盐溶解,胶体水解,使原有的连接变成水胶连接,导致矿物颗粒间连接力减弱,摩擦力减低。这个过程在斜坡受降水入渗使得地下水位上升到滑动面以上时尤其显著。润滑作用使岩石的变形性提高,摩擦角减小。
2)软化和泥化作用。束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧,起连接作用,这种作用对于被土填充的结构面的力学性质的影响很明显[4]。由于岩体结构面中充填物随含水量的变化,发生由固态向塑态直至液态的弱化效应,使岩体的力学性能降低,黏土质岩石尤甚[5]。此外,当硬岩断层破碎带中含有大量黏土质填充物时需注意这种作用[6]。
3)结合水的强化作用[5]。处于非饱和带的岩体,其中的地下水是结合水,处于负压状态,按照有效应力原理,非饱和岩体中的有效应力大于岩体的总应力,从而增强了岩体的强度。
4)冻融作用[4]。孔隙、微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。这种作用在我国北方应特别注意。
5)水楔作用[4]。当有水分子补充到矿物颗粒靠得很近的矿物表面时,矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围,在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙挤入,这种现象称为水楔作用。饱水岩石在受力过程中,水楔作用的影响更大,岩石强度的降低也较多。
以上几种作用都是与岩石中的结合水有关,而岩石含结合水的多少主要和矿物的亲水性(由黏土质矿物含量决定)有关。水对岩石的上述几种作用往往是其中几种同时发生,且绝大多数都降低了岩体的力学性能。根据实验研究,对于多孔隙的砂岩,饱水后的弹性模量甚至降低到干燥时的1/3。Colback和Wiid对石英质页岩和石英质砂岩的研究,饱水抗压强度仅为干燥时抗压强度的50%[5]。
岩石试件的含水量也显著影响岩石的抗压强度指标值,含水量越大,强度指标值越低。水对岩石强度的影响通常以软化系数[7]表示。
1.2 地下水对岩体的化学作用[5]
主要是指地下水与岩体之间的离子交换、溶解作用(岩溶)、水化作用(膨胀岩的膨胀)、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用等。
1)离子交换。
地下水与岩体之间的离子交换是由物理力和化学力吸附到岩土体颗粒上的离子和分子与地下水的一种交换过程。通常富含Ca离子或Mg离子的地下淡水在流经富含Na离子的土体时,使得地下水中的Ca离子或Mg离子置换了土体中的Na,一方面由水中Na的富集使天然地下水软化;另一方面新形成的富含Ca离子和Mg离子的黏土增加了孔隙度及渗透性能,使得岩土体的结构改变,从而影响岩土体的力学性质。
2)溶解作用和溶蚀作用。
天然的大气降水在经过渗入土壤带、包气带或渗滤带时,溶解了大量的气体,弥补了地下水的弱酸性,增强了地下水的侵蚀性。这些具有侵蚀性的地下水对可溶性岩石如石灰岩(CaCO3)、白云岩(CaMgCO3)、石膏(CaSO4)、岩盐(NaCl)以及钾盐(KCl)等产生溶蚀作用,增大了岩石的空隙率及渗透性。
3)水化作用。
是水渗透到岩土体的矿物结晶格架中或水分子吸附到可溶性岩石的离子上,使岩石的结构发生微观、细观及宏观的改变,减小岩土体的内聚力。
4)水解作用。
是地下水与岩土体(实质上是岩土物质中的离子)之间发生的一种反应,该反应一方面改变着地下水的pH值;另一方面也使岩土体物质发生改变,从而影响岩土体的力学性质。
5)氧化还原作用。
是一个电子从一个原子转移到另一个原子的化学反应。地下水和岩土体之间常发生的氧化过程有:硫化物的氧化过程产生Fe2O3和H2SO4,碳酸盐岩的溶蚀产生了CO2。地下水与岩土体之间发生的氧化还原作用,既改变着岩土体中的矿物组成,又改变着地下水的化学组分及侵蚀性,从而影响岩土体的力学性质。
以上地下水对岩土体产生的各种化学作用大多是同时发生的,一般地说化学作用进行的速度很慢。地下水对岩土体产生的化学作用主要是改变岩土体的矿物组成,改变其结构性而影响岩土体的力学性能。
1.3 地下水对岩体的力学作用[6]
岩石中的自由水不受矿物表面吸着力控制,其运动主要受重力作用控制,它对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。
地下水对岩体的力学作用主要通过孔隙静水压力和孔隙动水压力作用对岩体的力学性质施加影响。前者减小岩体的有效应力而降低岩体的强度;后者对岩体产生切向的推力以降低岩体的抗剪强度。孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石突然受载而水来不及排出时,岩石孔隙或裂隙中将产生高孔隙水压,减小了颗粒之间的压应力,从而降低了岩石的抗剪强度,甚至使岩石的微裂隙端部处于受拉状态,从而破坏岩石的连接。地下水在松散破碎岩体及软弱夹层中运动时对土颗粒施加体积力,可将岩石中可溶物质溶解带走,在孔隙动水压力的作用下可使岩体中的细颗粒物质产生移动,甚至被携出岩体之外,从而使岩石强度大为降低,变形加大,前者称为溶蚀作用,后者称为潜蚀作用,在岩石中有酸性或碱性水流时,极易出现溶蚀作用,当水力梯度很大时,对于孔隙度大、连接差的岩石易产生潜蚀作用。在岩体裂隙或断层中的地下水对裂隙壁施加两种力:1)垂直于裂隙壁的空隙静水压力(面力),该力使裂隙产生垂向变形;2)平行于裂隙壁的空隙动水压力(面力),该力使裂隙产生切向变形。具体理论公式见表1。
其中,σα为岩体的有效应力;σ为岩体的总应力;p为岩体中的空隙静水压力(负压);τd为岩体中的动水压力;γ为地下水的容重;J为地下水的水力坡度;b为裂隙的宽度。
2 工程实例[8]
平庄西露天煤矿。它的第16次滑坡,滑体长395 m,宽181 m,高41 m。滑坡体积为4.212×105 m3,主要岩性为砂页岩和页岩,滑坡前的倾角为20°,滑后的坡角为16°30′,滑坡面的倾角为18°40′。在滑坡顶部由于降雨积水,形成一条长约300 m的积水区,它浸泡着软弱岩层。采用SARMA法进行稳定性演算时,在有水的情况下,其安全系数K=1.15～1.21;如边坡处于疏干状态时,其安全系数K=1.50～1.56。
3 结语
通过上述实例以及大量工程实际表明,水对岩体的作用是十分明显的,它与岩体之间的相互作用,一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质;另一方面改变着地下水的物理、力学性质及化学组分,有时对岩石的破坏起着决定性的作用,所以,重视地下水渗流对岩体力学性质的影响的研究是很有意义的。
摘要：针对地下水通过物理、化学和力学作用于岩石并引起岩石破坏的特点,分析了岩石水损伤机理,从总体上深化了对水—岩作用机理的认识,并结合工程实例进行了说明,以促进地下水渗流对岩体力学性质影响的研究。
关键词：地下水,岩体,作用机理
参考文献
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