Estimation of the rock mass deformation modulus using a rock classification system

It is often difficult to directly obtain specific design parameters of interest. In these situations, estimation based on empirical correlations is an alternative. The deformation modulus of a rock mass, which is important to know for engineering projects, is measured by in situ tests, such as plate bearing, flat jack, pressure chamber, borehole jacking and dilatometer tests. Nevertheless, these in situ tests are expensive, time consuming and sometimes even impossible. Many attempts have been made to estimate the E modulus using easy-to-obtain parameters of a rock mass. This paper reviews previous studies and the equations that have been developed. In addition, this study presents a new relation developed using a database of 82 dilatometer test results gathered from two dam sites and a tunnel site. Statistical analyses were performed to correlate accessible rock parameters with measured E modulus values from in situ tests. Knowing that discontinuity characteristics and the strength of rock materials are the most important contributors to rock deformability, the focus was on identifying parameters that are affected by the mentioned properties. Among the tested parameters, RMR (Rock Mass Rating) showed the best correlation with the E modulus. Statistical analyses resulted in a new empirical equation that has an acceptable estimation ability.     

基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究

岩体力学参数具有随机性和不确定性,合理确定岩体力学参数是岩土工程稳定性分析的基础和关键。以某水电站前期研究的110个钻孔弹模测试数据为研究样本,对其进行了统计特征分析,确定变形模量的概率分布特征更符合Weibull分布。以钻孔弹模仪承压板尺寸为岩体变形模量研究的样本尺度,岩体由该尺度的岩样叠加而成,建立了不同尺寸的立方体岩体数值分析模型,按照Weibull分布随机给出各岩样的变形模量,在此基础上对不同尺寸的岩体分别进行5 000次单轴压缩试验的数值模拟,得到了不同尺度岩体等效变形模量的变化特征,确定了岩体等效变形模量的REV。基于现场实测岩体变形模量与概率统计理论相结合研究岩体变形模量是一个新的尝试,可为该水电站工程岩体力学参数的合理取值提供依据。     

岩体变形模量的尺寸效应

岩土工程中,现场岩体的承压板试验和变形试验可看作是不同尺寸岩体的变形试验。在某工程的现场岩石力学试验中,对同一组试点的岩体先后进行了承压板变形试验和承载力试验,研究了岩体变形模量的尺寸效应,结果表明,岩体变形模量主要受岩体中的裂隙发育状况控制,当岩体质量较好时,可以由承载力试验曲线来确定岩体的变形特性,这一做法具有一举两得的效果。     

地应力与岩体模量关系的理论及试验研究

岩体模量（弹性模量及变形模量）是工程岩体力学特性的基础参数之一,研究地应力状态与岩体模量之间的关系具有重要意义.基于静弹性热力学模型原理,结合弹性理论,推导了水平主应力与岩体性质参数的定量关系,并对地应力与岩体模量的关系进行了探讨.在此基础上,以赣龙铁路梅花山隧道为依托,开展了围岩应力及岩体模量参数的现场测试工作,并将实测成果与理论分析进行对比.结果表明：当埋深影响较小时,花岗岩中的水平主应力与岩体模量呈线性正相关关系;当埋深相差较大时,深度对地应力及岩体模量的影响均不可忽略,水平主应力与岩体模量一般呈非线性关系,需要进一步研究;对花岗岩中的岩体弹性模量和变形模量与水平主应力之间的相关性进行对比发现,岩体变形模量与水平主应力的相关性更好.研究成果可为工程岩体力学参数取值及评价提供借鉴.     

鱼简河水库坝基岩体模量研究

岩体变形模量的确定是岩石力学界研究的难点问题。贵州省鱼简河水利工程是国家重点工程,该工程大坝坝型为拱坝,坝基岩体变形模量的大小直接影响其坝体结构设计。本文在坝基岩体分组的基础上,利用Monte-Carlo模拟技术,采用RMR法与岩体损伤的分形模型对岩体变形模量进行估算,最后结合原位试验和工程地质类比给出岩体参数建议值,为坝体设计提供合理的计算参数。     

VJC-RMR法在岩体变形模量确定中的应用

在介绍VJC-RMR法 ( Volumetric joint count-rock mechanics rating method )基本原理的基础上,对贵阳市鱼简河水库坝基岩体进行了质量评价和变形模量确定,并与原位试验法、Q法 (Rock mass quality) 和岩体损伤的分形模型(Fractional model of rock mass damage)进行了比较。结果表明,VJC-RMR法能够将一维问题转化为三维问题,更好地反映岩体的实际情况,是进行岩体质量评价和参数确定较好的一种方法。     

一种基于块体化程度理论的裂隙岩体巷道顶板稳定性分级方法研究

岩体完整性是进行巷道顶板稳定性分级的一个重要指标,当前分级方法均是从一维角度对岩体结构进行描述,不能全面刻画出三维空间上顶板围岩的完整性。针对这一缺陷,引入裂隙岩体块体化程度理论,以块体化程度代替常规标准中表征岩体完整性的岩体质量RQD值和节理间距两项子指标,开展裂隙岩体巷道顶板稳定性分级研究,创新形成了一种适用于裂隙岩体顶板稳定性分级的BT分级方法。以块体百分比和块体体积曲线为基本依据,构建出裂隙岩体巷道顶板围岩块体化程度的解算流程;运用AHP法对稳定性影响因素权重进行了排序,制定出稳定性分级方法与标准。以铜坑矿92号矿体裂隙岩体试验区巷道顶板结构面调查数据和岩石力学参数为基础,运用传统分级方法RMR法和BT法分别对各试验区巷道顶板稳定性进行评价,对两种分级结果进行比较分析,结果表明：与传统的RMR法相比,BT法在稳定性描述、分级准确性和安全管理指导作用等方面更为优越,更能够客观真实地反映出裂隙岩体巷道顶板稳定性。研究成果可为复杂裂隙岩体条件下的巷道顶板安全分级与管理提供更为可靠的科学依据。     

岩体波速与坝基岩体变形模量关系

岩体变形模量是岩体工程设计最重要的参数之一,尽管其可以通过各种现场试验来获得,但因其耗时、费力、投资大,使得许多中小型工程及大型工程的初步设计阶段无法通过试验来得到这一参数。因此,许多研究者建立了诸多岩体变形模量与岩体物理力学参数或岩体质量分级之间的相关关系,如岩体变形模量与RQD、RMR分级、Q分级、岩体纵波速度等之间的关系,从而利用这些关系估算岩体变形模量。总结了已有估算岩体变形模量的各种方法,讨论了其应用条件及预测结果,重点分析了利用岩体纵波速度估算岩体变形模量的方法及存在的问题,并以玛尔挡坝址为实例,建立了相关预测公式。通过与已有估算方法的对比研究,阐明了各种方法预测结果的异同,表明其建立的估算公式与Barton等公式具有较好的一致性,可以用来估算岩体的变形模量     

Visualization of rock mass classification systems

A rock mass classification system is intended to classify and characterize the rock masses, provide a basis for estimating deformation and strength properties, supply quantitative data for mine support estimation, and present a platform for communication between exploration, design and construction groups. In most widely used rock mass classification systems, such as RMR and Q systems, up to six parameters are employed to classify the rock mass. Visualization of rock mass classification systems in multi-dimensional spaces is explored to assist engineers in identifying major controlling parameters in these rock mass classification systems. Different visualization methods are used to visualize the most widely used rock mass classification systems. The study reveals that all major rock mass classification systems tackle essentially two dominant factors in their scheme, i.e., block size and joint surface condition. Other sub-parameters, such as joint set number, joint space, joint surface roughness, alteration, etc., control these two dominant factors. A series two-dimensional, three-dimensional, and multi-dimensional visualizations are created for RMR, Q, Rock Mass index RMi and Geological Strength Index (GSI) systems using different techniques. In this manner, valuable insight into these rock mass classification systems is gained.     

A rock mass classification model for caving roofs

Summary Evaluation of the caving behaviour of longwall roof rocks has thus far been based on a pot-pourri of classification systems, which ignore basic caving criteria. The paper outlines a new classification model of roof strata namely cavability using fuzzy set methodology and linguistic variables to assign ratings for individual roof beds. A microcomputer program has been developed to evaluate the decision ratings for cavability and the model applied to ten longwall case-histories from Indian coalfields. The classification model has excellent potential for being used as a standard tool for the evaluation of caving behaviour of longwall roof rocks.     

基于三维地层模型的岩体质量可视化分级

岩体质量分级是岩石力学学科研究的热点和难点,在水电工程建设中具有重要的实际意义。在对岩级分类方法进行大量研究之后,工程人员对岩级结果的表达有了更高的要求,传统的方式已不能满足人们空间分析的需要,研究岩体质量可视化分级十分必要。首先,利用NURBS工具以一种新的数据结构和方法重建三维地层模型,然后,基于岩体质量分级结果,按照空间图形集合运算算法生成相应的三维岩级模型。将上述理论方法应用到锦屏一级水电工程岩体质量分级评价中,并进行了一系列与工程相关的岩级可视化分析,获得了很好的应用效果。     

A new rock mass classification for Coal Measures Rocks

This paper examines a new rock mass classification system (RMCR) for Coal Measures Rocks which is based on extensive laboratory testing results. The new system has been developed using 12 parameters which consist of mineral content index, uniaxial compressive strength, uniaxial tensile strength, Young's modulus of elasticity, shear strength, cohesion of rocks, angle of internal friction, point load index, cone indenter index, Cerchar index, Shore schleroscope hardness and specific energy index. The RMCR value was obtained by a number of laboratory and in situ testing results which were obtained from the coal site. The objective of the RMCR is to estimate the rock mass properties for engineering purposes.     

基于岩体精细化描述的围岩分类及力学参数概率分布特征分析

针对目前水电站地下厂房工程中不同围岩分类方法存在评价结果不一致、围岩力学参数存在室内试验值与实际情况不吻合的现象,现推荐采用岩体精细化描述体系对围岩岩体结构进行定量化评价。将常用围岩分类方法(RMR、Q、RMi、GSI、BQ、HC)评价指标予以归纳分组,并通过各组内不同指标对比分析获得围岩分类方法中的基础评价指标。以大岗山水电站主厂房某区段为分析对象,采取现场岩体精细化地质素描与后期数据挖掘、拟合相结合方法,并依据评价指标间的关联关系,获得了基础、非基础评价指标的分布概型及对应参数,实现对该段围岩岩体精细化描述认知;基于精细化描述结果,应用Monte Carlo法生成符合各评价指标分布概型的大量随机数,而后参照各分类方法评价思路与评分流程,得到评价指标在各分类方法对应的大量随机评分值,通过归纳统计获得不同围岩分类方法评价结果的分布概型;基于各围岩分类方法评价结果与力学参数值之间的关联关系实现对力学参数概率特征分析。该分析方法与思路可为类似工程围岩质量及力学参数的精确确定提供一定借鉴,并可为实现围岩支护极限状态设计提供必要的原始参数支持。     

岩体分级考虑因素的现状与趋势分析

在对国内外岩体分级方法深入研究的基础上,对岩体分级方法中所考虑的岩体分级因素及对各因素的处理方法进行了系统的归纳和总结。从岩体分级方法的现状来看,虽然目前尚无统一的岩体分级标准,但在岩体分级中应根据岩石的强度、岩体的完整性、地下水条件、地应力状况等多方面因素,进行岩体综合分级上达成了共识,并且国内规范中的岩体分级标准有趋于统一和向国际标准接轨的趋势。     

基于节理网络有限元的柱状节理岩体等效变形模量结构效应研究

因其特殊的地质成因,柱状节理成为一种具有强烈非连续性及各向异性的特殊岩体结构。以白鹤滩水电工程设计、建设中所遇到的柱状节理玄武岩体为背景,针对柱状节理岩体的等效变形模量问题,在探讨了其结构效应表征参数的基础上,利用节理网络有限元为工具,研究各结构效应表征参数对柱状节理岩体等效变形模量的影响。研究结果表明：在柱轴线横向平面上,对于柱体不规则程度,当柱体完全不规则相对于完全规则情况,等效模量提高大约10%左右;在其他条件不变情况下,当柱体平均边长从0.1 m增加至0.5 m时,等效模量从5.36 GPa增加至23.4 GPa;对不同加载方向的研究结果表明,柱状节理在柱轴横向平面上可以视作各向同性;当节理刚度线性递增时,相应的岩体等效模量也基本符合线性递增的规律。在平行柱体轴线平面,节理组2间距越大,柱状节理岩体的等效变形模量越大;随着错距比的增加,柱状节理岩体的等效变形模量呈现先增加后减少的趋势,当错距比为50%时,节理岩体的等效变形模量取最大值;对于节理刚度的影响,与柱轴横向平面类似的,随柱体轴线平面上节理刚度的线性增加,相应的岩体模量也基本符合线性递增的规律。该研究成果与已有的现场研究成果及三维数值模型成果相比,吻合良好。说明了文中提供的研究结论具有较好的可信度及参考价值。     

岩体基本参数对岩质边坡变形的影响

文章利用有限差分程序FLAC,定量化讨论了边坡岩体(软岩)的变形模量、泊松比、密度、粘聚力、内摩擦角、边坡高度等参数对软岩边坡变形的影响。研究表明,边坡位移随变形模量E的增大而减小;泊松比μ的增加,则会引起x方向的位移的增加,y方向的位移减小;而岩体密度对岩石边坡位移的影响甚弱。边坡岩体的粘聚力c对边坡变形的影响程度与岩体的其他参数间存在很大关系。内摩擦角对边坡位移的影响大小,则取决于粘聚力c的取值。此外,随着边坡高度的增加边坡变形则会随之增加。其中x方向位移变化对边坡高度的变化更为敏感;同样,在边坡岩体其他参数不变的情况下,边坡倾角越大,边坡变形也越大。     

三维岩体质量的多重分形评价及分类

岩体中结构面的存在往往会对岩体质量造成显著影响。笔者剖析了传统岩体质量指标的不足,以白云鄂博铁矿主矿边坡岩体为例,在工程地质测绘的基础上,利用蒙特卡洛（Monte Carlo）法仿真出三维岩体结构网络图,从多重分形几何的角度出发,计算和绘制出其表征岩体结构分布和复杂性的多重分形谱,对岩体质量作出定性评价和定量分析,并且进行了岩体质量的多重分形分类。     

国标岩体质量分级的简化方法

我国现行的《工程岩体分级标准》GB 50218-94在确定岩体基本质量指标BQ时较繁琐,为此将BQ公式和规范条文表格制成曲线图,根据岩石的单轴饱和抗压强度和岩体完整性系数,由曲线图可以方便地确定BQ和质量等级。为了便于在施工中确定岩体强度等多种物理力学指标,还编制了BQ与指标的关系图表。通过在工程实例中的应用,证明上述图表简单实用。     

基于三维结构面网络模拟的岩体变形模量确定方法

变形模量作为表征岩体变形特征的重要参数,是岩体工程设计的基础力学参数之一。在综合前人研究的基础上提出了基于三维结构面网络模拟确定岩体变形模量的方法,编制了三维结构面网络模拟及计算RQD值的程序。以西南山区某水电站坝址区岩体为实例,在概率统计各组优势结构面几何要素分布形式的基础上,采用Monte Carlo法生成三维结构面网络模型,据此获得岩体三维RQD值,利用RMR法进行质量评价和变形模量的确定,并与钻孔资料统计法和原位试验结果进行对比分析。结果表明：基于钻孔资料统计的估算结果与原位试验相对误差达31.62%,且其估算值偏低;基于三维结构面网络模拟的估算结果与原位试验相对误差仅为2.56%,估算结果精度较高。该方法考虑了岩体质量的空间各向异性,对岩体的质量评价和参数确定更为合理,研究成果为该工程的优化设计提供了合理的计算参数。