岩体参数（共8篇）
岩体参数 篇1
摘要：针对Hoek-Brown强度准则的较复杂地质参数, 提出利用Mohr-Coulomb强度准则参数替代。基于2002年版本的Hoek-Brown强度准则, 并结合准岩体强度准则, 建立了岩石力学参数和Hoek-Brown强度参数之间的新的换算关系式。经算例分析了换算关系式在已知的岩体强度参数条件下, 计算出的Hoek-Brown强度参数均在其取值范围之内;并根据单因素控制变量法, 得出地质参数m b、s随内聚力增加而减小, 随内摩擦角增加而增加;地质参数α受内聚力和内摩擦角影响较小;并将强度参数新解法用于计算巷道围岩塑性区半径。结论是岩石力学参数对地质参数有一定的影响, 并且强度参数新解法计算出的塑性区半径为支护定量设计提供理论依据。
关键词：强度参数估算,强度准则,巷道围岩,塑性区半径
0 引言
在一百多年的发展过程中, 岩体强度理论一度成为众多专家、学者研究的重点, 并已提出许多有应用价值的强度准则, 比较著名的是Bieniawski于1974年提出的经验强度准则和Hoek E, Brown E T于1980年提出的经验强度准则[1], 其中HoekBrown强度准则[2]得到了最广泛的应用, 随之而衍生出来的岩体强度估算方法也得到了世界上的一致认可。自从Hoek E, Brown E T于1980年提出的经验强度准则以来, 他们一直对该问题孜孜不倦地进行着研究, 并于1992, 1997, 2002年多次提出了修改后的Hoek-Brown岩体强度估算方法。直至最近E.Hoek提出了更实用的地质强度指标 (GSI) 取代RMR后, Hoek-Brown准则便成为一个更加独立的演示力学估算体系, 该方法也进入了新的发展阶段[3,4,5]。文中针对的是Hoek于2002年出版的Hoek-Brown强度准则以下简称为广义Hoek-Brown强度准则。
目前利用广义Hoek-Brown强度准则参数, 转换成Mohr-Coulomb强度准则参数的公式和理论很多。但是前者是较复杂的地质参数, 后者为较易获得的岩石力学参数, 复杂地质参数表示易获得的岩石力学参数, 给计算过程和软件模拟带来一定的困难, 因为前者的计算过程中参数多且适用的模拟软件少。如果能用Mohr-Coulomb强度准则参数替代HoekBrown强度准则参数, 那么将会节约大量的现场模拟试验和室内试验, 且不会降低工程要求的精度, 给工程实际操作带来方便。
赵星光等[6]考虑广义Hoek-Brown强度准则参数与岩石力学参数对巷道围岩塑性解的影响, 但只是利用现场采集的数据进行定性的讨论, 并没有给出具体的解析表达式。曾钱帮[7]、潘阳[8]等给出了具体的解析表达式, 但没有考虑岩石力学参数的影响。
本文在很多专家学者对此类问题进行大量的研究基础上, 提出了参数替代公式, 即利用Mohr-Coulomb强度准则参数替代Hoek-Brown强度准则参数;并通过研究内聚力和内摩擦角对Hoek-Brown强度准则参数的影响;同时将获得的Hoek-Brown强度准则参数用于计算分析巷道围岩塑性区半径。
1 强度准则
1.1 广义Hoek-Brown强度准则
在Hoek-Brown强度准则2002年的版本中, 广义Hoek-Brown强度准则[9]的形式没有发生变化, 但是与岩体质量有关的mb、s、α有了很大的变化, 其函数表达式为:
式中, σ1为岩体最大主应力;σ3为岩体最小主应力;σc为岩石单轴抗压强度;mb为岩石的坚硬程度;s为岩体的破坏程度, 其取值范围在0.000 0001~25;α为与地质强度指标GSI有关的参数;mi为完整岩石的m值。
这些公式相对以前的公式而言, 新增了一个修正变量D。D值的范围为0~1, 取决于外界因素对原位岩体的扰动程度, 如爆破、岩体开挖、岩体卸荷等行为。
岩体受单轴抗压时, 在式 (1) 中令σ1=σcm、σ3=0, 由式 (1) 可得:
岩体受抗拉作用时, 在式 (1) 中令σ1=σ3, 由式 (1) 可得:
式中, σcm为岩体的抗压强度;σtm为岩体的抗拉强度。
1.2 准岩体强度准则
由式 (2) 和式 (3) 两式, 建立了岩体的强度参数与岩石抗压强度以及广义Hoek-Brown强度准则参数之间的关系。如果能找出岩体和岩石的强度参数之间的一种解析解, 就可以进一步简化他们之间的关系。
依据准岩体强度理论[10]可知:
式中, 称为龟裂系数;vp为岩体中弹性波的传播速度;vs为岩石中弹性波的传播速度。
将式 (4) 和式 (5) 分别代入式 (2) 和式 (3) 中可得:
式中, 。
式 (6) 和式 (7) 为文中重要的中间转换公式。
运用准岩体强度准则是为将广义Hoek-Brown强度准则和Mohr-Coulomb强度准则联系起来, 起到一个转换的作用。如果岩石与岩体的强度参数为已知, 龟裂系数的数值可以直接获得, 因此提出的龟裂系数是为了建立岩石与岩体强度参数之间转换关系。基于岩石与岩体的强度参数为已知这个条件, 龟裂系数在文中并没有给出具体的数值, 但无法避免这是一个经验数据。陈昌富[11]、张建海[12]、闫长斌[13]等学者对于龟裂系数进行了改进, 并在HoekBrown强度准则参数的估算中进行详细的讨论, 鉴于改进的龟裂系数引用了很多地质参数, 且无法通过岩石力学参数进行换算和讨论, 所以文中没能改进龟裂系数, 随着研究的深入会将改进后的龟裂系数引入。
2 强度参数代换公式
2.1 Mohr-Coulomb强度准则参数估算方法
Mohr-Coulomb强度准则在岩土工程分析中得到了广泛使用, 并且在岩土工程数值模拟中也常常使用Mohr-Coulomb材料模型, 而在Mohr-Coulomb强度准则中, 岩体强度是通过内聚力c和内摩擦角φ表征。针对这种情况, Hoek于2002年提出相应的Mohr-Coulomb强度准则参数估算方法, 如下:
对于σ3max, Hoek给出了经验公式:
1) 当隧道工程中使用Hoek-Brown岩体强度估算公式时
式中, γ为岩体的容重;H为隧道的埋深。
2) 当边坡工程中使用Hoek-Brown岩体强度估算公式时
式中, H为边坡的坡高。
2.2 本文提出的强度参数估算方法
已知广义Hoek-Brown强度准则参数推出的Mohr-Coulomb强度准则参数, 即式 (8) 。下面简要的介绍本文参数替换公式的推导过程。
由式 (8) 第二式化简得:
将式 (11) 带入式 (8) 的第一式可得:
将式 (12) 展开可得:
将式 (13) 带入式 (6) 和式 (7) 可得:
式中, , 对于σ3max上文中提到在边坡和深埋硐室中表达式不同, 根据具体情况选择不同的表达式。
由式 (14) 看出, 式中利用Mohr-Coulomb强度准则参数代替了广义Hoek-Brown强度准则参数, 对于岩体强度估算方法的理论研究以及工程实践有一定的意义。
3 算例分析
某一级水电站工程建设位于新疆维吾尔自治区北部天山西段, 该水电工程处于天山纬向构造带西部的喀什河凹陷中部, 工程区域内地质构造十分发育, 属于强地质构造带, 岩体节理裂隙发育, 该水电枢纽工程包括深部硐室群。其提供的Mohr-Coulomb的强度参数[14], 由表1给出。基于式 (14) 可计算出边坡与硐室的Hoek-Brown强度参数, 将结果列于表2。
注:这里取硐室平均埋深200m。
3.1 参数替代公式的回归计算
由表1、表2中的参数显示可知岩体的强度参数均在其取值范围之内, 通过回归计算, 可知文中的参数替代公式的准确性。
3.2 内聚力c对Hoek-Brown强度准则参数的影响
取硐室平均埋深200m, 考虑内聚力对地质参数的影响。
由式 (14) 结合文献[14]中提供的地质参数可知:
当内聚力c取值取值范围为1.4~1.6MPa, 每增加0.1, 反应岩体破碎程度的s减少5%~23%左右;当内聚力c取值范围为1.6~2.6MPa, 每增加0.2, 反应岩体破碎强度的s减少21%~26%左右。见图1。
当内聚力c取值取值范围为1.4~1.6MPa, 每增加0.1, 地质参数α减少1.6%~4.7%左右, 反应岩体软硬程度的mb减小9%~18%左右;当内聚力c取值取值范围为1.6~2.6MPa, 每增加0.2, 地质参数α减少4%~6%左右, 反应岩体软硬程度的mb减小21.5%~27.9%左右。见图2。
3.3 内摩擦角φ对Hoek-Brown强度准则参数的影响
取硐室平均埋深200m, 考虑内摩擦角对地质参数的影响。由式 (14) 结合文献[14]中提供的地质参数可知:
当内摩擦角φ取值取值范围为23.98~53.98°, 每增加5, 反应岩体破碎程度的s增大7.5%~70%左右, 表现为区间性, 当φ取38.98~43.98°时, 破碎程度s受影响较小, 见图3。
当内摩擦角φ取值取值范围为23.98~53.98°, 每增加5, 反应岩体软硬程度的mb增大29.7%~68.5%左右, 地质参数α增大7.6%~13%左右, 变化不是很明显。见图4。
3.4 强度参数新解应用于塑性区半径的计算和分析
如开挖圆形巷道硐室, 已知圆形巷道半径r0=4m, 岩石重力密度γ=0.027k N·m-3, 巷道埋深H=200m。因此原岩应力p0=5.4MPa, 支护阻力pi=1MPa。
由文献[7]可以获得的塑性解的表达式如下:
由表2中得到的Hoek-Bown强度准则参数带入式 (15) 中可得:σR=0.24MPa。当支护压力pi分别为0MPa, 0.2MPa, 0.4MPa, 0.6MPa, 0.8MPa, 1MPa, 1.2MPa时, 可根据式 (16) 得巷道塑性区半径R0的大小如图5所示。
由图可以看出, 巷道开挖后的塑性区半径为3.55r0, 符合岩石力学中的经验范围。随着支护阻力的增大塑性区半径不断地减小。当pi取0.2MPa时塑性区半径为2.8r0, 下降较明显;当pi取0.4~1.2MPa时, 塑性区半径变化不大。
4 结语
1) 该方法改变了Hoek-Brown强度准则的地质参数参数代替Mohr-Coulomb准则的岩石力学参数的估算方法。从反面角度利用岩石力学参数代替了地质参数。为岩体参数估算提供了一种新的算法, 对于理论研究有一定参考价值。
2) 很多数值模拟软件是配合Mohr-Coulomb强度准则参数使用的, 本文提供的替代方法很好的将数值模拟软件与广义Hoek-Brown强度准则兼容在一起。
3) 通过算例分析可知, 文献[14]提供的岩石力学参数结合本文中参数替换公式得出的HoekBrown强度准则参数的值均在其取值范围内。地质参数mb、s随内聚力增加而减小, 随内摩擦角增加而增加;地质参数α受内聚力、内摩擦角影响较小。
4) 将强度参数估算新解应用于巷道围岩塑性区的计算, 通过图5可知, 在巷道刚开挖时, 应及时的进行支护, 当pi=0.4MPa时, 可以完成基本的支护要求, 控制住了塑性区的变形。
岩体参数 篇2
摘要:近年来随着我国经济科技的突飞猛进，各种资源开发和工程建设活动等人类工程活动的力度大幅提高，一方面国民经济提高，但另一方面也大大增加了我国资源开采使用量和环境加剧恶化，使本就十分脆弱的地质环境难以维持稳态平衡，地质灾害的频度和规模成逐年增加的趋势。为此就岩土工程与地质灾害的内在关系、地质灾害的特征与危害以及地质灾害防治工程以防治措施为主导方向进行探究阐述。
关键词:岩土工程地质灾害防治措施。
一、岩土工程与地质灾害的内涵自20世纪80年代末90年代初我国产生了一个新的学科——地质工程学。工程地质学是地质学的分支学科，又是工程与技术科学，基础学科的分支学科。它是工程科学与地质科学相互渗透，交叉而形成的一门边缘学科，从事人类工程活动与地质环境相互关系的研究，是服务于工程建设的应用学科。地质灾害是指由于自然因素或者人为活动引发的危害人民生命财产安全或使人类赖以生存和发展的环境、资源发生严重破坏的地质现象。《地质灾害防治条例》规定地质灾害包括山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等灾害。在我国大多数地质灾害现象都是人为因素引发的据有关资料统计近年来我国每年因地质灾害造成的经济损失约占各种自然灾害的1/4至1/5因此减少或制止破坏生态环境行为、及时采取地质灾害预防和防治措施是我国当前减少损失的首要途径。
二、我国地质灾害的特征与危害由于我国地理位置独特地质构造复杂地球生态环境多变加之人口众多的农业大国经济较落后承灾能力弱所有这些叠加在一起形成灾害类型多、分布广、频度高、强度大、影响面宽、损失严重的格局。据资料统计分析崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂缝等种类的地质灾害在我国十分发育。其中崩塌、滑坡、泥石流的分布范围约占国土面积的50%其中以西南、西北地区最为严重。地质灾害可分两大类:第一类主要是由自然因素引起的地质环境问题又称第一环境问题属自然地质灾害这些灾害不以人类历史的发展为转移；第二类主要是由人为活动引发的地质灾害称第二环境问题属人为地质灾害。这些灾害常随社会经济的发展，环境的恶化而日益增加据地质灾害。分析全国50%以上的地质灾害发生的主要原因是人类行为尤其是人类不合理地大量挖掘能源所造成的。
2.1 滑坡 滑坡是指斜坡上的土体或岩体受河流冲刷、地下水活动、地震、人工切坡等因素的影响沿着一定的软弱面或软弱带整体地或分散地顺坡向下滑动的自然现象。它的一个重要特征是在其运动过程中保持相对的完整性，往往表现出其特定的形态外貌。
滑坡的诱因:
1地震;
2降雨和融雪;
3地表水的冲刷、浸泡;
4河流等地表水体对斜坡坡脚的不断冲刷;
5开挖坡脚;
6蓄水排水;
7堆填加载;
8劈山放炮乱砍乱伐。
滑坡发生的规律: 下列地带是滑坡的易发和多发地区:
1江、河、湖水库、沟的岸坡地带地形高差大的峡谷地区山区铁路、公路、工程建筑物的边坡等。
2地质构造带之中如断裂带、地震带等。
3易滑坡岩、土分布区。
4暴雨多发区及异常的强降雨区。
2.2 崩塌 陡坡上被直立裂缝分割的岩土体因根部空虚折断压碎或局部移滑失去稳定突然脱离母体向下倾倒、翻滚堆积在坡脚或沟谷的地质现象称为崩塌。一般发生在厚层硬脆性岩体中。岩体中有构造节理和成岩节理，风化侵蚀等易于发生崩塌。
崩塌的诱因:
1采掘矿产资源
2道路工程开挖边坡
3水库蓄水与渠道渗漏
4堆弃渣填土
5强烈振动。
2.3 泥石流 泥石流是由于降水暴雨、冰川、积雪融化水产生在沟谷或山坡上的一种挟带大量泥砂、石块和巨砾等固体物质的特殊洪流是高浓度的固体和液体的混合颗粒流。经常发生在陡峻的山岳地区，一般是顺着纵坡降较大的狭窄沟谷活动的。地质条件决定了松散固体物质的来源，也为泥石流活动提供动能优势。泥石流形成必须有强烈的地表径流，它为爆发泥石流提供动力条件。泥石流主要由石块，沙粒和泥浆体所共同组成的格架结构。
泥石流的诱因:
1不合理开挖
2不合理的弃土、弃渣、弃石
3滥伐乱垦。地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落并在地面形成塌陷坑洞的一种动力地质现象。山体坡度大，气候降水量过多，山体土层松软。
防治措施植树造林和护护坡草被，加强水土保持。修建坡面排水系统调节地表径流，防止沟源侵蚀。泥石流通区一般修建拦挡工程，大规模预防需要修建高大的泥石流拦挡坝。修建泄洪道起到顺畅排泄泥石流的作用在修建交通路线时如跨越泥石流时要修筑护路明路 走廊 隧道 渡槽等。
2.4 地面变形 地面变形包括地面沉降、地面塌陷与地裂缝。目前中国发生地面沉降活动的城镇有70多个明显成灾的有30余个最大沉降量已将近3m。这些城市有的孤立存在有的密集成群相连形成广阔的地面沉降带区。造成中国城镇地面塌陷原因有三:一是不合理地大量开采地下矿产资源引起的塌陷二是表面岩溶活动引起的塌陷三是大量抽取地下水引起地面下沉。地表变形还多发生在以地下资源为主要经济发展的城市，如地下石油及矿产的开采，开采过程中不能及时有效的进行回填，导致地面下沉，地裂缝。
地面塌陷发生的规律:
1岩溶强烈发育的纯可溶岩分布地带或沿其与非可溶岩的接触地带
2沿可溶岩中的断裂带或主要裂隙交汇破碎带岩层剧烈转折、破碎的地带
3松散盖层较薄且以砂石为主其底部粘性土层缺失或甚薄一般不足1-2米的“天窗”地段 4岩溶地下水的主迳流带或岩溶管道上
5具有潜水和岩溶水双层含水层分布地带
6岩溶地下水的排泄区
7岩沉吟地下水位在基岩面上下频繁波动的地带或受排水影响强烈的降落漏斗中心及近侧地段
8临近河、湖、塘地表水体的近岸地带
9岩溶地下水位埋藏较浅的低洼地带。地下资源的大量的开采。
2.5 人为地质灾害的危险性分析 人为活动加剧或加速地质灾害的发生所带来的危害性大大超过正常状态下产生的地质灾害所带来的损失。如:矿产资源的开发以及铁道、公路等各种工程建设的开挖亦经常加剧地质灾害的发生如:土壤侵蚀、地面塌陷与沉降、滑坡、岩爆、泥石流、荒漠化以及坑道涌水、瓦斯爆炸等灾害。人工滥伐森林资源也造成土壤侵蚀、滑坡和泥石流等灾害并导致洪灾的加剧发生。人工爆破也会诱发岩溶塌陷、滑坡等灾害的发生还有可能引起连锁性的岩溶塌陷。
人工诱发地质灾害的特点如下:
1是诱发速度快。在自然地质演化及气候变化过程中岩体由相对稳定至不稳定的变化经历长时间过程。而人工因素诱发下就大大地缩短了自然演化时间加速岩土体的岩性变化而导致突变灾难的发生并造成更大的损失。
2是诱发灾害面广。自然地质灾害的发生除了特大灾害之外一般其危害性有一定的局限性在人工因素诱发下其危害性就具有更大的影响面。例如由于生物资源———森林的破坏工程的大规模开挖影响的是区域性环境恶化诱发区域性旱涝灾害以至引发全球性荒漠化。人类活动产生的升温效应对气候及地质灾害诱发作用的影响也是全球性的。
3是灾害损失巨大除了地震之外人工诱发的地质灾害所造成的损失是严重的。随着经济建设的发展人工诱发地质灾害所造成的损失仍会不断增加目前估计地质灾害损失每年约500亿元而受到威胁的就是这些数据的数倍至数百倍。1998年洪灾损失2000多亿元死亡1432人其中不少损失是通过地质灾害而产生的。
三、地质灾害防治工程的主要施工技术标准及防治措施
3.1 主要的施工技术标准总结 地质灾害防治工程的最大特点是隐蔽性如抗滑桩、复杂性如抗滑桩锚拉挡板冠梁和多样性防治滑坡可采用桩亦可采用挡土墙以地下工程施工为工艺特点因此与地基与基础工程和岩土工程具有十分相近或相同的工艺流程、施工工序和施工工法。
涉及地质灾害防治工程施工的技术规范和标准主要有:
1地质灾害防治工程现行施工技术标准和规范如《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T0218-2006
2各类参考使用如《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002
3各类水利水电工程的土石方、地基与基础和岩土工程所涉及的技术规范和标准均可参考使用如《水电水利工程预应力锚索施工规范》DL/T5083-2004
4各类交通建设中所涉及的边坡、滑坡、危岩、塌陷和沉降等工程防治的相关技术标准和规范如《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94。
3.2 地质灾害防治工程防治措施
3.2.1 做好防治工程设计 地质灾害防治工程设计必须根据崩塌、滑坡、不稳定斜坡的成因机制、运动模式、易发性及防治目标制定。
1根据致灾的成因确定主要防治途径
2根据灾害的易发程度、防治目标确定防治工程的强度和工程量。
3.2.2 地质灾害防治工程的主要工程措施 根据地质灾害防治工程勘查设计现行行业规范《三峡库区地质灾害防治工程质量检验评定标准》等技术标准及资料分析国内防治地质灾害的主要工程类型有:排截水工程、支拦挡工程、加固工程、护坡工程、减载与压脚工程及搬迁和避让等。
岩体物理力学参数取值方法研究 篇3
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.
岩体参数 篇4
岩体强度主要取决于岩石块体和结构面这两部分的强度;工程实践和理论研究表明, 在大多数情况结构面力学特性对岩体强度起着控制性作用, 使得岩体强度因结构面的存在而大大削弱。
目前在工程岩体稳定性的分析评价工作中, 其重点及难点之一就是如何合理地确定岩体结构面的抗剪强度参数。现阶段, 确定控稳结构面抗剪强度参数的主要方法可以归纳为试验法、公式法、经验法和反算法四大类, 每一大类又分别包含几种不同的具体方法。
本文在大量查阅文献的基础上, 对这些取值方法进行一番综述。主要针对其中应用成熟的方法。
1 试验法参数取值
1.1 室内剪切试验
室内剪切试验的基本原理、数据处理方法与土体直剪试验类似。其试验设备、方法相对简单, 操作步骤规范、方便, 因此应用最广。该方法的主要问题是试样的代表性、原状性、尺寸效应等。
试样的代表性问题主要由于结构面性质的复杂性与变异性, 当试样数量不足, 会导致试验数据的随机性和离散性过大, 从而使数理统计得到的参数取值具有较大偏差。李克钢等[1]研究表明, 在进行试验时应尽可能的多选几组试件进行试验, 这样可以比较容易地排除异常值的影响, 从而选取正常值进行统计, 使得统计的结果更加准确。
试样的原状性问题体现在岩体试样在开挖过程中会不可避免地受到一定的扰动, 导致结构面的闭合程度有所变化, 因此会不同程度地影响试验结果。当取样扰动特别显著、结构面质量很差时, 这样的试验还不如不做, 按经验采用类似工程的试验资料或许更为可靠。
试样的尺寸效应表现为试样的结构面强度通常随其尺寸的增大而减小, 但当结构面尺寸增大到一定程度时则趋于稳定;但是这种尺寸界限会随着岩体及其结构面的性质发生变化。常规室内剪切试验的结构面尺寸较小, 存在尺寸效应。
1.2 原位大型剪切试验
原位大型剪切试验的原理与室内试验相同, 主要差别体现在试样制备和具体仪器设备上。由于其试验过程在原位进行且剪切断面较大, 因此在很大程度上克服了试样的原状性和尺寸效应等问题, 所得结果较为可靠。但因其设备笨重、操作复杂, 故成本高、周期长, 一般只应用于重大工程。
该试验的最大不足是试验组数受成本制约, 且相对于它所应用工程的规模而言样本数量显得偏少, 存在以点代面、代表性不强的问题。
针对其成本高、操作难、应用受限的情况, 刘明维、郑颖人[2]提出原位抗切试验结合规范取值的参数确定方法。他们认为:对于坡高不大于25 m的岩质边坡, 可采用原位抗切试验较为准确地确定比较敏感的c值, 并结合规范取值法确定不敏感的φ值;这样既保证了一定的工程精度, 又克服了采用原位大型剪切试验的麻烦, 经济、实用。
2 公式法参数取值
通过对大量室内外试验及数值模拟研究成果的归纳总结, 提出适用于估算结构面强度的经验公式, 可以很大程度地减轻复杂的试验工作。。
目前为止, 比较公认的经验公式主要有Patton剪胀公式及双线性公式、Jeager负指数剪切强度公式、Barton公式、Ladanyi公式和Gerrard剪切公式。这些公式中, 前三者适用条件过于理想化, 后两者参数过于复杂、求取困难, 因此在工程中主要应用的是Barton的JRC—JCS模型。
杜时贵等[3]研究表明:采用Barton公式估算获取的结构面强度参数与室内剪切试验所得结果基本一致, 有时可能偏高。
3 经验法参数取值
3.1 工程类比法
工程类比法是工程地质研究的传统方法之一, 是指根据大量已有的同类工程数据和实践经验, 结合具体工程的地质条件、周边环境条件等, 通过类比、分析、判断来获得设计参数的取值。
该方法的最大缺点就是具有人为的经验性、随意性, 应用不当, 往往可靠性不高。要保证其可靠性, 则要求具有丰富的工程实践经验、掌握丰富的工程资料, 而且需要进行多方面因素的综合类比, 同时还应根据工程实际进展情况和出现的问题———特别是现场监测结果和地质体揭露情况, 对现有设计参数进行必要的调整和修改。
张勤[4]建议, 应用模糊相似优先比原理进行结构面抗剪强度参数的研究, 有利于克服工程类比法中人为影响、不定量性等缺点, 从而在一定程度上提高参数取值的可靠性。
3.2 规范取值法
规范取值法是在结构面分级的基础上, 参照规范、手册等的建议范围值, 结合实际工程的具体条件, 确定参数取值, 必要时再进行适当地折减。因此, 它本质上是一种规范化的工程类比法, 在一定程度上减少了人为因素的影响, 但仍然不可避免地存在着经验性、地区性等问题。
刘明维、郑颖人在广泛调研、有针对性的进行现场试验和室内试验的基础上, 通过对大量试验成果的分析整理, 对《建筑边坡工程技术规范》中结构面抗剪强度取值方法进行了探讨, 并补充、完善和细化了结构面的分类及其考虑因素, 提出了相对更实用、更合理的参数取值表。对此, 该规范的最新修订版对其取值方法进行了部分修善。
4 反算法参数取值
4.1 基于极限平衡的反演法
根据所处的稳定状态, 选取相应的极限平衡方法建立参数反演的方程, 获取结构面强度参数。因此理想的条件是滑动破坏前的极限平衡状态, 此时可假定稳定系数为1.00, 然后根据选用的极限平衡公式, 采用单值法或联立剖面进行参数反演。
当采用单值法反算时, 需要先假定其中的一个参数c或φ。通常采用敏感性分析, 确定其中变化幅度不大或者容易掌握范围的那个值。
当联立剖面进行反算时, 联立方程的相容性是能够求解的决定因素。一般情况下, 由于岩土体的复杂性和变异性, 不同剖面的稳定状态是不同的, 两者联立以后往往难以求解。对于单一结构面, 且形状变化不大时, 采用剖面联立法反算获得的结构面参数可与室内试验结果相近。
4.2 位移反分析法
应用数值分析方法, 在已有位移观测资料的基础上, 通过求解控制方程组, 即可反演求得结构面强度参数, 克服了极限平衡反算方法局限于强度极限状态的不足。该方法自20世纪70年代以来, 得到了工程界的重视和研究[5]:
孙钧等提出了对岩体诸参数 (包括其抗剪强度指标c, φ值) 进行弹塑性反演分析的一种全面优化方法, 实践上得出了非线性逆问题的唯一解。
杜景灿等在直接位移反分析的基础上, 引入加权系数, 提出了加权位移反分析方法。
吉林等将岩体宏观应变引入, 构造新目标函数对结构面力学参数进行反演。
由于岩体参数位移反分析法实质为一个高度复杂的非线性函数问题, 其反分析解的存在性、稳定性值得研究, 且具有依赖初值、易失败等缺点。应用难度较大, 尚处于优化阶段。
5 结语
目前用于确定岩体结构面抗剪强度参数的几类主要方法中, 或多或少地存在一些局限和不足, 影响着参数取值的精度。它们又各有其适用条件, 大致来说:当能获取试样时, 一般采用试验法确定参数, 而公式法 (主要是Barton经验公式) 能在一定程度上减少复杂的试验工作;当不能获得试验参数时, 则采用反算法或经验法确定参数;同时根据工程规模和重要性等级不同, 选用其中具体不同的取值方法。
参考文献
[1]李克钢, 许江, 李树春.三峡库区岩体天然结构面抗剪性能试验研究[J].岩土力学, 2005, 26 (7) :1063-1067.
[2]刘明维, 郑颖人.岩质边坡结构面抗剪强度参数的实用确定方法研究[J].工程勘察, 2006 (5) :6-9.
[3]杜时贵, 胡晓飞, 郭霄, 等.JRC-JC模型与直剪试验对比研究[J].岩石力学与工程学报, 2008, 27 (S1) :2747-2753.
[4]张勤.模糊数学在工程地质类比法中的应用[J].河海大学学报, 1990, 7 (4) :1-6.
岩体参数 篇5
新疆小山口二级水电站工程位于巴音郭楞蒙古自治州境内的开都河中游和静县境内,电站厂房距和静县城约50 km,距库尔勒市约90 km,小山口二级水电站距已建成的大山口水电站约18.5 km,距小山口水电站约7.5 km。小山口二级水电站工程等别为Ⅳ等,工程规模为小(Ⅰ)型,主要建筑物级别为4级,次要建筑物为5级。根据GB 18306-2001中国地震动参数区划图,该区相应的地震动峰值加速度为0.15g,地震动反应谱特征周期0.40 s,地震基本烈度为Ⅶ度。
本文主要对工程区的地形地貌、地质构造、地层岩性等进行勘测与分析,提出适合本工程的岩体力学参数。
2 区域地质构造
小山口二级水电站工程位于天山褶皱带内的博斯腾湖山间拗陷西段,区域构造以NWW向的断裂为主。博斯腾湖凹陷西部边缘出露的第三系地层,产状平缓,褶皱轻微,受NWW向断裂的影响,产生差异升降,NWW向断裂尤其是松树达坂断裂控制着拗陷的形成和发展,工程区附近主要断裂有以下3条(见图1)。
从图1可以看出,可肯达坂断裂:位于工程区西北约20 km,总体走向NWW～SEE,倾向NE,倾角65°～70°,延伸长度130 km,破碎带宽度50 m。该断层西端发育于泥盆系中统地层中,东段隐伏于哈拉毛墩凹陷内。该断层错断了察汗乌苏河的Ⅳ级～Ⅴ级阶地,为一条晚更新世活动断裂。松树达坂断裂:位于工程西南约15 km的虎拉山山麓,走向NWW～SEE,倾向SW,倾角65°～70°,延伸长度在220 km以上。该断层构成石炭系和泥盆系地层的分界,未见活动迹象。洪水沟断裂:位于工程区的西北部,距工程最近距离约2.5 km,总体产状290°～310°NE∠40°～65°,延伸长度大于40 km,为一压扭性断裂。该断裂东西两段都影响到第三系地层,东段消失在第三系地层中。在大山口及柳树沟一带可见其错断Q1～Q3地层的迹象,为一条晚更新世早期活动断裂。
3 工程区基本地质条件
厂房位于开都河的左岸滩地区,处于工程的渠尾,北侧紧邻Ⅲ级阶地。滩地区整体较为平坦,宽窄不一,呈西高东低之势,平均纵比降约0.32%,平均高出河常水位0.5 m～2 m。滩面宽阔地带现多为耕地,有零星居民点散布在滩区。建筑物基底高程1 226.53 m,基础底面开挖高程1 226.53 m,场地地面高程1 246 m～1 248 m,地形较为平坦宽阔。勘察期间,地下水位高程约1 239.2 m～1 246.58 m,埋深3.6 m～7.4 m。
工程区揭露地层为第四系松散堆积物(Q)及第三系地层(N1),分述如下:
第三系中新统(N1t)基岩:(砂质)泥岩、砂岩及泥质粉砂岩互层,该层顶面高程1 239.0 m～1 239.5 m。岩层产状为300°～310°NE∠7°～10°。该层岩石胶结较差,抗压强度低,易软化和崩解,属软岩～极软岩类,岩层风化界限不明显。
第四系全新统河流冲、洪积物(Q4al+pl):上部为耕植土,以砂壤土为主,厚0.3 m～2.6 m;下部为砂卵(砾)石层,厚4.4 m～8.2 m,卵(砾)石粒径多大于5 cm,含漂石,呈密实状态。
4 工程区岩(土)体特征
从钻孔揭露、室内岩(土)物理力学试验及可研阶段现场声波测试的成果看,第三系(N1t)基岩有以下主要特点:
1)从勘探资料看,该地层成岩时间短,胶结程度差,岩、土性质并存,是介于岩石与土之间的过渡型地层。
根据钻孔资料,在勘探深度范围内(最大勘探深度36.6 m),泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩及砂砾岩相间产出,以泥岩粉砂岩、砂质泥岩、泥岩为主,砂岩出露较少。从所取的岩芯来看,该地层中的泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩类岩体一般呈长柱状、短柱状,有一定胶结程度,存在微结构面,具有软岩的一些特性;该地层中砂岩类岩层的颗粒多数胶结程度差,钻进扰动后呈散状,局部泥岩类地层粘粒含量高,成岩作用差,呈硬塑状,又具有土的性质,可以说“似岩非岩”。
2)从成因看,该类地层为河湖相沉积地层,沉积环境比较复杂,其岩性在垂向及水平向相变较大,强度及胶结程度变化不明显。
3)从现场声波测试看,该地层各岩性的纵波波速,一般在1 850 m/s～2 500 m/s之间,其中(砂质)泥岩、泥质粉砂岩以及砂岩的纵波波速十分接近,没有明显分带性,说明该套地层成岩程度低,胶结物及颗粒组成对岩石结构和强度的影响不显著。同一岩性自上而下岩体波速变化不大,如ZKJ07-1钻孔,泥质粉砂岩在12.8 m～13.5 m段纵波波速为2 152 m/s,18.9 m～20.0 m段为1 968 m/s,29.7 m～33.0 m段为2 307 m/s,说明该类地层受风化作用影响差别较小。
4)从室内试验看,相同岩性自上而下岩体强度变化不大,如ZKJ05钻孔,泥质粉砂岩在21.0 m～21.35 m样的饱和抗压强度为3.44 MPa,32.23 m～33.0 m样的饱和抗压强度为3.56 MPa。
综合上述:该套地层以软岩为主,局部地层岩体胶结较差,呈散状或硬塑状,具有土的特性。场区内软岩成岩时间短,胶结程度差,是介于岩石与土之间的过渡型地层,自上而下岩体强度变化不大,且没有明显的分带性,同时其纵波波速多在2 000 m/s左右,上部和下部纵波波速差别不明显,风化作用影响差别较小,故工程区软岩不存在明显的风化界面。
5 工程区岩(土)体物理力学性质指标建议值确定
根据室内物理力学试验成果及《新疆开都河小山口水电站可行性研究阶段工程地质勘察报告》,并结合相似工程的类比分析,提出工程区第三系基岩的物理力学指标建议值,见表1。
6 讨论
通过对工程区地层第三系岩体强度和波速等综合分析得出以下结论,进而提出工程区岩体的物理力学指标建议值。
工程区地层岩性简单,揭露的地层主要为第四系松散堆积层及上第三系中新统桃树园组(N1t)地层。
第三系中新统桃树园组(N1t)地层为一套河湖相沉积的地层,埋藏于第四系之下,在阶地前缘陡坎附近有出露,主要岩性为泥质粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、砂岩及砂砾岩等。该套地层岩层产状300°～310°NE∠7°～10°。该层整体胶结程度较差,岩性变化大,层理不明显,抗水性、抗风化性能差,易软化和崩解,属软岩～极软岩类。
第三系中新统桃源组(N1t)软岩成岩时间短,胶结程度差,是介于岩石与土之间的过渡型地层,自上而下岩体强度变化不大,且没有明显的分带性,同时其纵波波速多在2 000 m/s左右,上部和下部纵波波速差别不明显,工程区软岩不存在明显的风化界面。
上第三系中新统桃源组(N1t)软岩虽然局部胶结较差(松散)的砂岩类地层具有土的一些特性,但从取出岩芯及试验成果上看,上第三系地层总体上岩的工程地质特性更为明显。
岩(土)体建议值的确定除胶结较差(松散)的砂岩类按土工试验提供的指标外,其余地层统一使用岩石试验所提供的指标,同时,所提供的岩(土)体物理力学指标建议值在按岩石标准的基础上也充分考虑了土的因素。
摘要：以新疆小山口二级水电站工程为例,通过对工程区的地质构造、地质条件、岩体特征进行分析与勘察,并结合物理力学试验成果及相关报告,提出了工程区岩体的物理力学指标建议值。
关键词：岩体,力学参数,地质,工程区
参考文献
[1]GB5487-28,水利水电工程地质勘察规范[S].
[2]常士,张苏民.工程地质手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社,2008.
岩体参数 篇6
地应力是赋存于岩体中的天然应力, 是煤矿井下巷道、采区及硐室变形和破坏的根本作用力[3]。地应力场分布规律及特征的研究是一切与岩体力学有关的理论研究、工程设计及施工的基础, 是岩体力学基础研究的重要组成部分。形成地应力场的因素非常复杂, 属于非稳定应力场, 很难用函数的形式来表达, 只能通过实测来得到相对比较准确的地应力值, 然后基于大量实测数据, 进行统计分析, 寻找地应力分布规律及特征, 用以指导工程实践[4]。
1 煤矿地理与地质简况
潞宁煤矿位于忻州地区宁武县化北屯乡陈家半沟村, 是潞安矿业集团公司的新开发的矿井。潞宁煤矿开采深度约250 m, 布置一主一副两井, 井下为东西两翼开采, 主运输为800 mm皮带。设计能力为30万t/a, 井田面积为6.609 5 km2, 开采侏罗纪2号、3号煤层。2号煤层厚4.43 m, 3号煤层厚1.56 m, 地质储量5.51亿t, 可采储量3.27亿t, 设计服务年限53 a, 主要煤种为气肥煤, 煤质优良, 供不应求。
2 现场地应力测量
2.1 测量方法
根据国内外多数人观点, 依据测量基本原理的不同, 将测量方法分为直接法和间接法两大类[5,6,7]。直接测量法较为广泛应用的有扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。间接测量法主要有套孔应力解除法和其他的应力或应变解除法以及地球物理方法等。目前在井下, 应力解除法与水压致裂法是较为广泛可行的实测方法。
2.2 测量仪器
根据井下实际情况, 文章采用由天地科技股份有限公司研制的SYY-56型小孔径水压致裂地应力测试装置进行地应力测试。该装置采用小直径钻孔 (Φ56 mm) , 最大深度30 m;最大水压40 MPa;定位精度为 (±3) °, 采用小孔径后, 能够高效快速地进行地应力测试, 测量后的钻孔还能用于煤岩体强度和结构的测量。
2.3 地应力测试结果
在潞宁煤矿共完成了7个测站的地应力测量工作, 测试结果见第93页表1。
第93页表1中, pb为临界破裂压力;pr为裂隙重张压力;ps为瞬时关闭压力;σH, σh, σv分别代表最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力。
典型的水力压裂曲线与印模图见第93页图1、图2。
2.4 地应力测试结果分析
2.4.1 潞宁煤矿地应力场特征
7个测站中最大水平主应力大于垂直主应力的测站有6个, 占总测站的86%, 垂直主应力大于最大水平主应力的测站仅有1个, 占总测站的14%, 因此, 潞宁煤矿原岩应力总体上水平应力占优势。按照三个主应力的大小排列, 可分为以下几种情况。
1) σH>σv>σh, 共3个测站, 占总测站数的43%。
2) σv>σH>σh的共1个测站, 占总测站数的14%。
3) σH>σh>σv, 共3个测站, 这3个测站主要在下山延伸之前所测试结果, 大部分是埋藏较浅的位置, 占总测站数的43%。
在潞宁煤矿构造应力场中, 最大水平主应力方向全部集中在N3.9°W~N45°W之间。
2.4.2 主应力随深度的变化
从地应力测试结果看, 潞宁煤矿测试的7个测站中埋深从175~515 m不等。根据测量结果绘制了地应力随巷道埋深变化的曲线, 如图3所示。可以看出, 主应力大体随着测站的深度增加而增大。垂直应力增加的速度明显大于水平主应力。根据测试数据, 运用最小二乘法对水平主应力与测站深度之间的相互关系进行线性回归, 经过回归得到潞宁煤矿地应力关系方程及其曲线:
2.4.3 矿区应力量级
潞宁煤矿7个测站地应力测试结果中, 最大水平主应力最大值为16.36 MPa。最大主应力大于10 MPa且小于18 MPa的测站有6个, 占86%。
根据相关判断标准:0~10 MPa为低应力区, 10~18 MPa为中等应力区, 18~30 MPa为高应力区;大于30 MPa为超高应力区。因此潞宁煤矿地应力整体上属于中等应力场。
2.4.4 测压比随埋深的规律变化
测压比指的是最大水平主应力与垂直主应力的比值 (即σH/σv) 。经计算得出潞宁煤矿7个测站的测压比为0.67~2.67。其中, 第六测站的测压比为0.67, 其值小于1.0;第一、第二、第三测站的测压比为2.18~2.67, 其值均大于2.0;第四、五、七测点的测压比为1.09~1.51, 其值均大于1.0。可见除去第六测站外, 其余测站的测压比大体上随埋深的增加而增大。
2.4.5 平均水平与垂直主应力间比值的变化规律
平均水平主应力为最大水平主应力与最小水平主应力的比值。经计算得出潞宁煤矿7个测站的平均水平主应力与垂直主应力的比值为0.56~2.17。其中第五、六测站的平均水平主应力与垂直主应力的比值小于1.0, 其余测站均大于1.0。
2.4.6 最大和最小水平主应力间的比值
在潞宁煤矿7个测站中, σH/σh最大为1.85, 最小为1.29, 平均为1.59, 最大与最小水平主应力差值较大。最大、最小主应力差值较大造成岩体内剪应力较大, 超过岩体抗剪强度时, 岩体将发生破坏。
3 现场应用
潞宁煤矿地应力测试已用于矿井2号煤西翼扩区轨道运输大巷的支护设计。通过在2号煤层及围岩物理力学参数测量结果的基础上建立数值模型, 模拟出不同的支护方案, 分析比较不同方案的巷道变形、破坏范围、支护体受力等状况, 在经济和技术上取得最优方案, 并得到较好的支护效果。
3.1 巷道简述与地质特征
西翼扩区轨道运输大巷为2号煤层总体为单斜构造, 走向N48°, 倾向南东, 倾角为138°左右。巷道全长2 498.342 m (从轨道下山巷正中线至停掘点) , 开口标高1 180 m, 方位角239°18′30″。断面为5 000 mm×3 700 mm (宽×高) 。掘进过程中地质结构简单, 断层不发育。
3.2 巷道支护设计
根据上述岩体参数与应力场实测数据运用美国岩土工程大型软件FLAC3D对巷道的锚固效果及其稳定性进行计算与分析, 通过支护参数分析及多方案的比较, 得出的支护形式为:锚杆+金属网+钢筋梁+锚索+喷射混凝土联合支护。
具体参数为:顶板支护。锚杆杆体为22号高强度左旋无纵筋螺纹钢筋, 长度2.4 m, 树脂加长锚固;采用钢筋托梁与金属菱形网护顶。锚杆排距1.2 m, 每排6根锚杆, 间距0.9 m。锚索直径18.9 mm, 长度7.3 m, 树脂加长锚固。锚索每排2根, 排距为2 m。巷帮支护:锚杆、钢筋托梁及网的形式与顶板相同。锚杆排距1 m, 每排4根锚杆, 间距1 m。
3.3 应用效果
将初始设计实施于井下, 并进行了巷道表面位移、顶板离层及锚杆与锚索受力监测。经观测发现工作面受回采影响期间, 巷道表面位移变化不大, 巷道围岩的稳定性没有明显的影响, 基本趋于稳定, 巷道围岩变形得到有效控制, 支护效果好, 确保回采工作高效顺利推进, 并取得良好的经济效益。
4 结论
1) 潞宁煤矿主要存在两种类型的地应力场:σH>σv>σh及σH>σh>σv。由于煤层埋藏相对较深, 原岩应力总体上水平应力占明显优势, 具有典型的构造应力场特征。其中最大水平主应力方向以NW方向为主, 方向全部集中在N39°W~N45°W之间。
2) 潞宁煤矿地应力整体上属于中等应力场, 最大与最小水平主应力及垂直应力总体上随测站深度的增加而增大, 但也有极个别测站存在明显的离散性。
3) 所测矿井最大、最小水平主应力与测站深度之间的关系为
4) 潞宁煤矿所测区域侧压比随埋深的变化规律性不强, 数值分布在0.67~2.7之间。平均水平主应力与垂直主应力的比值大多数大于1.0, 小于1.0的占29%。最大水平主应力和最小主应力的比值范围为1.29~1.85, 平均为1.59。最大与最小水平主应力差值较大。最大、最小主应力差值较大造成岩体内剪应力较大, 超过岩体抗剪强度时, 岩体将发生破坏。
5) 地应力测试结果以用于潞宁煤矿2号煤西翼扩区轨道运输大巷的支护设计, 使其合理性和可靠性显著提高, 巷道支护状况得到明显改善。
摘要：针对潞宁煤矿深部开采条件和地质构造情况, 采用小孔径水压致裂地应力测量装置, 对潞宁煤矿进行了井下地应力测试, 结合测量数据, 详细分析了其井下地应力的特征。使得巷道支护得到明显改善。
关键词：地应力测量,水压致裂,深部开采,应力场
参考文献
[1]何满潮, 谢和平, 彭苏萍, 等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报, 2005 (16) :2803-2813.
[2]何满潮.深部的概念体系及工程评价指标[J].岩石力学与工程学报, 2005 (16) :2854-2858.
[3]康红普, 林健, 张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26 (5) :929-933.
[4]蔡美峰.地应力测量原理与技术[M].北京:科学出版社, 2000.
[5]HUDSON J A, CORNET F H, CHISTIANSSON R.ISRM suggested method for rock stress estimation-part 1:strategy for rock stress estimation[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci., 2003, 40 (7/8) :991-998.
[6]CHISTIANSSON R.The latest development for in-situ rock stress measuring techniques[C]//Proceedings of the International Symposium on In-situ Rock Stress.Trondheim, Norway:[s.n.], 2006:3-10.
岩体参数 篇7
对地下工程的设计和计算, 一个关键问题是如何合理确定围岩力学参数, 因室内或原位实验不但花费较高而且所得结果往往缺乏代表性, 故利用现场实测变形反推岩体力学参数是一种即经济又可行的方式[1,2]。由于岩体参数与位移间的关系很难用显式的数学表达式来描述, 通常采用正演优化反分析来实现参数识别, 其缺点在于, 无论采用何种高效的优化算法, 在搜索最优参数时都需反复调用有限元正分析过程, 因而消耗大量机时, 效率非常低下, 这对于大型工程来说是难以接受的[3,4,5,6,7,8]。
20世纪70年代岩土工程领域提出了位移反分析方法, 此后逐步发展起来并取得了令人瞩目的研究成果[3,4,5,6,7,8]。所谓反分析法, 即以现场量测到的、反映系统力学行为的某些物理信息量 (如位移、应变、应力或荷载等) 为基础, 通过反演模型 (系统的物理性质模型及数学描述) 推算得到该系统的各项或某些初始参数 (如初始应力、本构模型参数等) 的方法。其目的是建立接近现场实测结果的理论预测模型, 能较正确地反映或预测岩土结构的某些力学行为。根据现场量测到的不同信息, 岩土工程反分析可以分为应力反分析法、位移反分析法及应力与位移的混合反分析法。由于位移信息较易获取, 而且较为准确, 它带有丰富的信息, 是岩体的力学性质与特点的综合反映。
在对某水电工程地下厂房的稳定性分析过程中, 采用位移反分析法, 即根据施工过程中在厂房的拱顶、以及上下游边墙所监测到的相对位移, 来反演模型所需要的物理力学参数, 反演变量为微新岩体和两组断层的弹性模量E、柏松比ν、粘聚力c、摩擦角φ及剪涨角ψ。
1工程地质条件及围岩物理力学参数
该地下厂房区位于长江右岸白岩尖山体中, 与右岸坝后式厂房相毗邻, 山顶高程243 m, 上游是茅坪溪, 下游有枫箱沟等近EW向的沟谷发育。地下厂房区岩石主要有前震旦系闪云长花岗岩和闪长岩包裹体, 岩体中尚有花岗岩脉和伟晶岩脉。厂房区主要断层F20、F22、F24等走向NNW340°～350°, 倾向SW为主, 陡倾角60°～85°, 宽一般为2～5m, 构造岩胶结较好;次为F84 、F205 、f100等NNE70°～90°的断层, 倾向北为主, 短小、分布稀疏, 断层宽0.3～3.0 m, 以角砾岩为主, 断面波状起伏, 多张开渗水, 胶结较差。另外还有f10等NE50°, 倾向西, 倾角50°的断层, 宽1.00～3.00 m, 构造岩中夹泥, 胶结较差。地下厂房由主厂房、引水洞、尾水洞系统组成的大型地下洞室群, 位于微新岩体中, 岩石坚硬, 完整性较好, 主厂房上覆山体厚度为63.00～98.00 m, 水文地质条件较简单, 成洞条件较好[1,2,3,4]。
根据地表测绘, 平硐勘探及钻孔揭露, 地下电站区断层较发育, 但多为裂隙型, 延伸长度一般小于100 m, 破碎带宽度一般小于0.3 m。延伸长度大于300 m, 破碎带宽度大于1 m的断层见到2条, 即F20及F84;延伸长度大于100 m, 破碎带宽度大于0.5 m的断层见到5条, 即F22、F24、f10、f35、f1。根据断层的走向以及厂房的位置, 将对地下厂房整体结构产生重要影响的断层整理成表1。
将围岩岩体划分成强风化、弱风化和微风化3个岩体区, 每个区的岩体物理力学参数见表2。
2计算模型及方案设计
模型所取的坐标系与地应力反演中所用的坐标系一致。模型中考虑了4条断层, 分别是F20、F22、F84、f100, 共划分了135 349个单元, 26 424个节点。见图1。开挖体模型见图2, 为了把第5、6层各作为2步开挖进行模拟, 分别在每个断层高程中央将其一分为二剖开。该模型不仅用于位移反分析, 而且下面几章的正演分析都是基于此模型, 只是计算参数或开挖体有所变化。图3为开挖步。
主厂房施工期间布置了大量的监测设备, 譬如, 在主厂房1～6号机组各设置了一个多点位移计监测断面, 重要监测断面 (1号、4号机) 布置9孔多点位移计 (见图4) , 一般监测断面布置3孔。本次反分析采用的监测数据为厂房第四层开挖完成后各监测断面多点位移计的测值。由于各种因素的影响, 并非所有的位移监测值都参与反分析过程。
通过对实测数据的分析, 认为, 对于监测位移发生突变的监测点, 往往是由于局部结构面扩展、张开所造成的, 或由于监测设备的损坏也有可能导致监测结果的异常;对于监测位移值太小且发生振荡的监测点, 主要是由监测设备测量精度引起的。反演分析中不考虑上述两类监测数据, 只考虑那些监测数据稳定的监测点。另外, 对于监测位移小于设备测量精度的监测点, 也不考虑。根据施工方所提供的实测数据 (见表3) , 并考虑上面提到的选择测点数据的基本原则, 如下的测点数据作为反分析的现场监测结果。
D2L3P2、D2L5P1、D2L6P2、D4L1P2、D4L6P1、D4L6P2、D5L3P2、D5L5P1、D5L5P2、D5L6P2及D6L3P2共11个测点, 其中D后的数字代表监测断面所在的机组号, L代表测线号, P代表测线上的测点号, 如图4所示。其中最后一列是点 (X, Y, Z) 相对于点 (X0, Y0, Z0) 在该测线上的位移。
3计算结果及分析
3.1地表开挖
经计算分析, 地表的开挖并没有引起塑性变形, 所以上述的计算都是从地表开挖后的模型考虑的, 为了验证考虑开挖过程 (先算开挖前的自重, 接着算开挖, 即两步计算) 和不考虑开挖过程 (直接计算开挖后的自重, 即一步计算) 的区别, 特做了对比分析, 表4是这两种条件下地应力测点在开挖后沿坐标轴方向的应力值, 从中可见它们两者之间的差别很小。
3.2反分析过程及结果分析
实践表明, 如果以所有材料的所有物理力学参数作为反演自变量, 往往会导致局部极值问题, 使得反演后的结果不太合理。为此, 认为参数的不确定性主要是由于实验室的实验误差及材料的尺寸效应引起的, 这样就可以认为各组相应物理力学参数比例基本上保持不变, 即:
类似地, λv、λc、λφ、λψ也有上面的关系成立。这样一来, 就把对5个物理力学参数的反演变成对λE、λv、λc、λφ、λψ5个比例系数的反演。
把各测点在开挖到第4层后的监测点位移均方差作为反演目标, 形式如下:
式中:D
反演后的材料参数见表5～7, 可以看出:相对于反演前, 弹性模量为原来的0.69倍, 泊松比增大为原来的1.66倍, 粘聚力约为原来的0.81倍, 摩擦角为原来的0.85倍, 而剪涨角为原来的1.07倍 (反演前的取摩擦角的1/2) 。这都说明了反演前材料参数取值偏于完好, 而实际上可能由于节理等结构面的存在使其材料性质没有那么好。
实际上用连续介质来模拟岩体材料时所用到的材料参数是岩块及几何模型中未被纳入的结构面性质的综合, 当材料进入非线性时, 在材料达到峰值强度前, 其岩体就会出现体积膨胀现象, 且出现应力不断增长, 体积εv为0的临界点, 如图6所示, 此处局部的体积模量必然趋于无穷大, 根据公式:
则此刻的岩石综合泊松比趋于0.5, 在此后的阶段, 体积增加更为迅速, 如果仍认为是连续介质的话, 则该阶段的泊松比必然大于0.5, 这在一般的有限元程序中是难以实现的。
出现这种问题说明在岩石的结构面产生和发展过程中出现体积膨胀现象已经不符合连续介质假定, 这种体积膨胀也会导致监测点位移比不膨胀的大许多。所以本此优化后得到的泊松比偏大是合乎规律的。
4结语
根据反分析所得岩体参数, 经过与已监测变形、应力数据的对比分析, 反分析所得岩体参数较为合理。力学参数与实验值相比普遍有所减小, 变性指标有所增加。这与现场或室内物理力学试验的代表性有关, 也说明岩块参数与实际岩体参数相比, 需要根据经验作折减, 误差较大。根据实际监测资料的反分析, 是获取岩体参数的一个有效途径。
摘要：根据某水电工程地下厂房的开挖监测的应力和位移资料, 根据实际的开挖过程对岩体参数进行了反分析。根据反分析计算结果, 发现反分析所得岩体的力学参数普遍比勘察所得岩体的力学参数建议值低;所得岩体变形参数普遍比勘察所得岩体的力学参数建议值高。这说明现有试验条件下岩体参数有其局限性, 经验性较强, 反分析不失为一种较好的获取实际岩土体参数的方法。
关键词：地下厂房,岩体参数,反分析
参考文献
[1]冯夏庭.智能岩石力学导论[M].北京:科学出版社, 2000.
[2]杨林德.岩土工程问题的反演理论与工程实践[M].北京:科学出版社, 1996.
[3]田明俊, 周晶.岩土工程参数反演的一种新方法[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24 (9) :1 492-1 496.
[4]姜谙男.基于三维数值模拟-SVM非线性模型的大型洞室群围岩参数进化识别[J].水力发电学报, 2006, 25 (5) :97-101.
[5]李端有, 李迪, 马水山.三峡永久船闸开挖边坡岩体力学参数反分析[J].长江科学院院报, 1998, 15 (2) :10-13.
[6]冯建龙, 张孟喜.BP网络在双连拱隧道围岩参数反分析中的应用[J].上海大学学报 (自科版) , 2005, 11 (3) :293-297.
[7]周建春, 魏琴, 刘光栋.采用BP神经网络反演隧道围岩力学参数[J].岩石力学与工程学报, 2004, 23 (6) :941-945.
[8]王小杰, 张世飙, 陈勇, 等.云岭隧道围岩物理力学参数正演反分析[J].华中科技大学学报 (城市科学版) , 2007, 24 (2) :78-80.
岩体参数 篇8
GSI岩体分类体系基于Hoek-Brown破坏准则,由Hoek于1995年率先提出。该方法充分考虑了岩体的实际地质条件,具有针对性强的优点,在我国的隧道工程、采矿工程中已经得到了广泛应用[1]。然而,该体系在边坡工程中的应用相对较少,尤其是水利水电工程中涉及的节理化岩质高边坡。
在我国西南高地应力地区,水电站边坡开挖常遇到卸荷岩体或倾倒蠕变岩体。从破坏机制上看,此类卸荷岩体结构面在产状上呈现出较强的规律性,且不同的产状与坡面组合将形成不同的破坏机制[2],如顺向坡后缘易形成拉裂面,岩体沿结构面发生平面破坏;反向坡则易发生倾倒破坏。从参数选取上看,影响此类岩体强度参数的因素除了岩体强度、结构面密度等,还应重点考虑边坡可能的破坏方式和结构面产状。因此,利用传统的GSI体系来估算此类边坡的力学强度参数存在较大缺陷,亟待改进。
针对卸荷岩体强度参数问题,本文引入了CSMR系统中的结构面调整因子,将其用于修正GSI的取值,使计算所得参数更贴近于卸荷岩体的工程实际。通过对某水电站坝肩边坡卸荷段的计算发现,修正后的参数更符合工程地质条件,修正方法合理有效。
1 方法原理及修正
1.1 GSI岩体分类体系
考虑到岩体实际的地质条件,Hoek等人对Hoek-Brown准则进行了推广,并提出了GSI(地质强度指标)的概念。推广后的Hoek-Brown准则可表述为:
式中:σ1和σ3分别为岩体破坏时的最大和最小主应力;σc为相应岩石的单轴抗压强度;mb为岩体Hoek-Brown常量;mi为完整岩块Hoek-Brown常量;GSI为岩体的地质强度指标,其取值将影响到参数计算成果的准确与否;s和α为与岩体相关的材料常数。
根据摩尔-库仑强度准则可得:
即
当0<σ3<σc/4时,σ1与σ3之间近似于线性关系,摩尔-库仑可写为:
式(5)中,k、b为常数:
利用式(1)中σ1与σ3的关系,将两者带入式(5)进行回归分析,即可拟合出k、b值,并回代式(6)中,得出相应的岩体强度参数c、φ。岩体变形模可由式(7)估算:
1.2 GSI取值及修正
在此法中,准确地选取GSI值进行计算是获得可靠岩体强度参数的前提和难点。为细化GSI的取值,韩凤山引入了岩体参数Jv(节理数/m3)来实现岩体结构的定量化描述[3];韩现民等利用节理状态因数Jc来量化节理表面状态[4];苏永华等考虑到了岩体结构和风化程度对岩体参数的影响,引入了岩体块度指数RBI和风化指标AWI来细化GSI取值[5]。这些改进在一定程度上提高了GSI值和求得参数的准确度,但对于西南地区水电站高边坡开挖中常遇到的卸荷岩体,若不考虑结构面产状与坡面产状关系,所取得的GSI值仍有较大误差。
本文利用苏永华等提出的GSI定量取值表(表1)对不同块度指数(RBI)和绝对风化指数(AWI)的岩体进行GSI的初步取值,并对该GSI值进行卸荷岩体的结构面产状修正。
中国水利水电边坡工程登记小组于1997年在RMR-SMR体系的基础上,引入高度修正系数和结构面条件修正系数,提出了用于边坡的岩体质量评价的CSMR分类体系[6,7],其表达式为:
式(8)中,RMR为比尼威斯基(Bieniawskizt)提出的岩体质量得分;ξ为坡高修正系数;F1、F2、F3为结构面调整因子,取值见表1。λ为结构面条件系数,取值见表2;F4为边坡开挖方法调整评分值。
式(8)中第二项为结构面产状修正项,令:
并利用它对地质强度指标GSI值进行修正:
将修正后的GSI值用于前述各式中,求得的c、φ和Em即为考虑了结构面与坡面空间组合关系的卸荷岩体强度参数。
注:P为平面破坏;为倾倒破坏;αs为边坡倾向;αj为结构面倾向;βs为边坡倾角;βj为结构面倾角。
2 工程实例
2.1 工程背景
西南某水电站坝址区河谷狭窄,呈“V”字形,两岸地形基本对称,各有四条冲沟分布。山坡陡峻,自然坡度一般大于45°,多陡壁。岩性以三叠系上统小定西组(T3xd)灰紫色变质凝灰岩和紫红色火山细砾岩为主。
受河谷深切和冲沟发育的影响,两岸岩体呈现出不同程度的卸荷现象。根据地质测绘及平硐资料,坝址区发育的主要结构面有四组:(1)N70°~90°W,NE∠70°~90°,为枢纽区最发育的节理,发育间距一般30~60 cm,延伸较长,两岸山坡常沿该组结构面形成陡壁;(2)N10°~20°E,NW∠70°~90°(顺层结构面),较发育,发育间距一般50~80 cm,延伸较长;(3)近EW,N(S)∠30°~45°(顺坡中缓倾角节理),仅在两岸浅表部发育,发育间距一般30~60cm,延伸短;(4)N40°~50°W,SW∠70°~80°,局部发育,发育间距一般30~60 cm,延伸短。
2.2 岩体参数计算与分析
结合现场结构面统计和地质测绘资料,计算选取了9个易发生平面破坏或倾倒破坏的坝肩坡段,并利用修正前后的GSI值按式(5)进行线性回归分析,将结果代入式(6),可以求得坝肩边坡卸荷段岩体修正前后的岩体力学强度参数,如表4所示。
表4中,前6组参数对应了坝肩边坡变质凝灰岩岩体,后3组参数则对应了变质火山细砾岩岩体。根据同期进行的抗剪试验等物理力学实验成果,微卸荷变质凝灰岩的弹性模量为30~40 GPa,凝聚力为0.95~1.12 MPa,内摩擦系数为0.87~1.05;弱卸荷弱风化变质凝灰岩的弹性模量为15~30 GPa,凝聚力为0.70~0.85 MPa,内摩擦系数为0.90~1.00;微卸荷变质火山细砾岩弹性模量为25~40GPa,凝聚力为0.95~1.10 MPa,内摩擦系数为0.95~1.15。
通过对比发现,修正前的强度参数值较大,接近于实验值上限,且无法反映结构面与坡面的空间关系对坡体稳定性的影响。在进行修正后,卸荷岩体的参数明显减小,且减小幅度反映出了对应坡体结构面产状的破坏危险程度,证明了此方法可以在卸荷边坡中推广应用。
3 结语
(1)地质强度指标GSI结合Hoek-Brown破坏准则可以在充分考虑地质条件的基础上,对节理化岩体的力学强度参数进行准确的计算。
(2)在确定边坡卸荷岩体力学强度参数时,除岩性、抗压强度、结构面密度等因素之外,还需要考虑卸荷结构面与边坡坡面的空间组合关系,对边坡的不同破坏形式进行单独分析。
(3)在以往的GSI系统中,引入结构面产状修正可以体现出卸荷边坡破坏方式与边坡结构对岩体稳定性的影响,从而提高所取GSI值的准确度,提出更为可靠的卸荷岩体力学强度参数。
(4)通过与物理实验成果对比,本文提出的卸荷岩体强度参数确定方法准确可靠,值得在工程边坡中推广。
参考文献
[1] 韩现民,李晓,王红霞.基于GSI的节理岩体力学参数评价.矿业研究与开发,2010;30:19—21Han X M,Lin X,Wang H X.Evaluation of mechanical parameters of jointed rock mass based on GSI.Mining Research and Development,2010;30:19—21
[2] 邹元红.岩质边坡可能的失稳判断方法.铁道建筑技术,2009;8:88 —91Zou Y H.Judgment of the rock slope’s possible instability with the stereographic projectionMethod.Railway Construction Technology,2009;8:88—91
[3] 韩凤山.大体积节理化岩体强度与力学参数.岩石力学与工程学报,2004;23(5):777—780Han F S.Strength and mechanical parameters of large-volume jointed rockmass.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004;23(5):777—780
[4] 韩现民,李晓,孙喜书.GSI在节理化岩体力学参数评价中的应用——以金川二矿区水平矿柱为例.金属矿山,2009;391:25—29Han X M,Li X,Sun X S.Application of GSI in evaluating the mechanical parameters of jointed rock mass——a case study of horizon ta lore pillar in No.2 mine section of Jinchuan.Metal Mine,2009;391:25 —29
[5] 苏永华,封立志,李志勇,等.Hoek-Brown准则中确定地质强度指标因素的量化.岩石力学与工程学报,2009;28(4):679—686Su Y H,Feng L Z,Li Z Y,et al.Quantification of elements for geological strength index in Hoek-Brown criterion.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009;28(4):679—686
[6] 孙东亚,陈祖煜,杜伯辉,等.边坡稳定评价方法RMR-SMR体系及其修正.岩石力学与工程学报,1997;16(4):297—304Sun D Y,Chen Z Y,Du B H,et al.Modifications to the RMR-SMR system for slope stability evaluation.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1997;16(4):297—304
【岩体参数】推荐阅读：
岩体力学参数论文08-06
裂隙岩体07-18
岩体变形05-14
隧道岩体06-28
岩体特征07-31
岩体的变形破坏05-26
岩体力学课后习题答案05-20
某隧道岩体初始地应力场有限元反演分析05-10
王安镇杂岩体地质作用与成矿作用的时空结构07-20
参数规律07-22