地质强度指标量化方法综述

在广义Hoek-Brown强度准则中,如何量化地质强度指标GSI取值进而获得贴近工程岩体力学参数的问题,是众多专家学者一直在研究的课题.本文详细介绍了国内外专家对于此问题的最新研究成果,并提出了两个问题:各GSI取值方法的准确程度无法评价的问题;在改进的获取GSI表中,如何选取两个最具代表性的因素来表征岩体结构特征和岩体结构面特征的问题,这两个问题的研究将会推动岩体工程的进步.     

含剪切带层状岩体抗剪强度参数估算及工程应用

剪切带作为一种特殊的软弱结构面,对工程建设的危害早已引起人们的广泛关注和深刻认识。本文以古贤水利枢纽坝址区含剪切带坝基岩体为研究对象,分析了剪切带的空间发育规律,并采用大型原位剪切试验方法确定其抗剪强度参数;同时,根据建立的由岩体波速估算地质强度指标GSI的计算公式,结合Hoek-Brown岩体强度准则,本文给出了估算岩体抗剪强度参数的理论计算方法。对比两者计算结果表明：采用Hoek-Brown强度准则估算的等效内摩擦角偏小,而黏聚力明显偏大,这主要是由于准则中最小主应力的取值范围引起的,据此提出公式应用中需注意的问题及相应解决方法。该方法能在试验资料不足的情况下,为含剪切带层状岩体力学参数的快速评价提供了一条新途径。     

基于GSI值量化和修正方法的岩体力学参数确定

为了准确确定岩体力学参数,通过综合分析多种地质强度指标(GSI)量化方法,提出了一种改进的GSI值量化和修正方法。首先,利用测线法估算结构面平均间距(d)和岩体块度指数(RBI)的改进型岩体块度率(RBR),根据岩体三维结构面网络,获得岩体体积节理数(Jv)和岩体结构等级(SR),然后采用上述参数和结构表面条件(SCR)及结构表面特性参数(Jc)进行了GSI值的定量化处理。为了克服GSI体系的缺点,考虑结构面产状和地下水对岩体力学性质的影响,提出了GSI值的修正方法和公式。以某铅锌矿体的矿岩体为例,根据改进的GSI值量化和修正方法及Hoek-Brown强度准则来确定矿岩体力学参数,通过与原位变形试验的对比分析,验证了该方法的精确性和可行性。该方法为从室内岩石力学试验合理地获取节理岩体力学参数提供了理论及实现的依据。     

边坡岩体抗剪强度参数的非线性确定方法

影响工程岩体抗剪强度参数的因素很复杂,建立定量与定性相结合的多指标综合模型可有效地确定岩体抗剪强度。将多元非线性统计方法引入到岩体抗剪强度指标的研究中,选取了12个影响岩体抗剪强度的定性、定量指标,通过收集到的大量工程数据,分别建立凝聚力和内摩擦角非线性显式方程,决定系数分别为0.992 729,0.999 998。该方法可考虑定量、定性因素的影响,经现场实测数据验证,该模型具有较高的计算精度。运算过程简单,可方便工程现场使用,具有较高的工程实用价值。     

小湾水电站坝址区岩体抗剪强度试验研究

小湾水电站坝址区地质条件复杂,岩性主要有黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩两种。由于小湾水电站坝高为292 m,为世界级高拱坝,因此我们在小湾进行了高正应力条件下的岩体抗剪强度试验（最大正应力13 MPa）。通过对不同岩性及不同岩体质量条件下的岩体抗剪强度（含混凝土与岩体接触面抗剪）的试验研究,为设计提供了小湾坝址区符合工程特性的岩体强度参数。     

基于量化的GSI系统和Hoek-Brown准则的岩体力学参数的估计

Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则相比,综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,可更好地反映岩体的非线性破坏特征,更符合工程实际,由该准则所估算的岩体力学参数可为最终确定岩体力学参数提供重要依据。基于引入的岩体体积节理数Jv和结构面条件因子JC量化的GSI(地质强度指标)围岩分级系统和Hoek-Brown强度准则来估计岩体力学参数,并结合具体的工程估算岩体的力学参数验证应用效果,其成果对工程设计和施工有重要指导意义。     

对土的抗剪强度指标（直剪试验）确定方法的研究

本文分析了图解法求Ｃ、Φ值的不科学性及非唯一性，（ＧＢ１７－８９）规范推荐方法求Ｃ、Φ值的进步（唯一性）及不足（机械性），并提出了采用最小相对误差绝对值来确定Ｃ、Φ值的新方法，提高了Ｃ、Φ值的可信度。     

层状岩体抗剪强度的方向性及剪切破坏面的确定

提出了一种层状岩体的抗剪强度C，φ值随方向变化的经验表达式，并与前人的实验结果进行了对比，结果表明二者相当接近，利用这一经验表达式和Mohr-Coulomb准则，采用搜索试算的方法，可判断在三维应力条件下层状岩体是否产生剪切破坏面以及产生时的方位。     

基于Hoek-Brown准则的岩体分级法在地下工程中的应用

根据Hoek-Brown破坏准则和等面积原则,通过岩石力学试验数据和野外地质调查结果,算出工程岩体主要的力学参数,可用于地下工程的岩体分级。该方法能够较好地反映岩体的赋存条件和力学状态,对岩体的工程力学性质认识更加深入,为地下工程设计和施工支护提供更加科学、合理的依据。实践表明,相比于最常用的BQ分级法,文中方法在深埋地下工程中更加科学、适用     

基于统计强度理论的破裂岩体本构模型研究

借助损伤力学思想,基于统计强度理论,提出一种适用于深部工程破裂区破裂岩体的本构模型建立方法,并通过室内试验和数值试验进行了验证。将破裂岩体划分为无数微元立方体,微元立方体的强度与岩石破裂程度有关,且各立方体强度随机分布,故可用强度反映破裂岩体的破裂程度,据此提出一种破裂岩体本构模型建立方法。其中,根据岩石破裂面间的摩擦力做功等于材料破裂后释放的应变能,得到从力学角度定义的岩石破裂程度变量;另外,假定微元立方体强度分布服从Weibull分布,应力水平满足Hoek-Brown准则。利用泥质砂岩破裂岩体典型三轴试验结果,建立泥质砂岩破裂岩体本构模型,并进行了验证,结果表明模型计算曲线与试验曲线吻合度较好。利用离散元软件PFC进行了补充数值试验验证研究,证明了泥质砂岩破裂岩体理论模型的良好计算效果,进而证明提出的本构模型建立方法的可行性。     

基于脆剪分析的岩体非线性强度特性在统一强度理论中的实现

针对统一强度理论（UST）拟合非线性强度的局限和岩土材料强度特点,提出拟合岩土非线性强度特征的脆性剪切分析方法,建立了过渡式双线性强度分解公式。以脆断、剪切双重破坏机制,解释Hoek-Brown准则的非线性特征机制,并推导出体现岩石、岩体类材料非线性强度特征的脆剪强度公式。Mine-by隧道和北山花岗岩强度数据分析显示,在岩体折减强度、试验数据直接拟合实例分析中,脆剪强度与Hoek-Brown强度相关性系数均在0.98以上,在该基础上建立岩体非线性强度脆剪分析的双线性过渡式,并提出对应的统一强度理论形式,实现统一强度理论在拟合岩土非线性强度准则中的扩展。     

基于统计岩体力学的岩体强度特征分析

结构面的存在改变了岩体力学性质,影响了岩体强度特征。基于统计岩体力学强度判据,结合摩尔-库仑准则,得到了含单组结构面岩体破坏的4种不同方式和相应的结构面倾角范围,推导了岩体强度由结构面控制转化为应力控制的临界围压表达式。在此基础上,根据岩石和结构面参数之间的关系,将含单组结构面岩体分为4类,并探讨了可能破坏方式和发生破坏的条件。最后,举例分析了含单组结构面闪长岩的强度特征,结果表明,该岩体属于第I类岩体,在垂向受压时先沿结构面后沿岩块破坏,临界围压为9.12 MPa;从全空间分析,该岩体强度各向异性显著,围压增大可使岩体在一些方向上受力时强度由结构控制转化为应力控制。     

小浪底工程岩体力学参数研究

本文系统研究了小浪底工程的岩体的强度特征,采用了室内试验,野外结构面统计,工程地质类比法、模型试验法和Hoek Brown的经验法,估算了工程岩体的力学指标,指出了上述各种方法中所存在的不足,认为在工程实践中,应尽可能使用多种估计方法,交叉校核所得参数,以提高参数的可靠性,保证工程的安全,节约投资。     

基于Hoek-Brown准则的隧道围岩屈服接近度分析

为了建立Hoek-Brown准则围岩稳定性评判标准,通过理论分析,推导了Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则的关系以及Hoek-Brown准则参数表征的屈服接近度(YAI)函数;通过FLAC3D建立隧道三维数值模型,编制相应Hoek-Brown屈服接近度YAIhb的程序,分析了材料参数和应力变化的影响。结果表明：①自编程序计算的YAIhb=1区域与FLAC3D计算的塑性区分布范围相同,验证了程序的正确性,并且屈服接近度能够表征各单元的屈服程度,优于塑性区判定标准。②随着地质强度指标GSI的增大,YAIhb逐渐减小,两者之间的关系采用3次多项式进行拟合的精度较高;YAIhb随岩石单轴压缩强度σci的增大而减小,采用指数方程对两者的关系进行拟合,能得到较高的相关系数;随着单元损伤的加剧,其屈服接近度逐渐增大,表征单元破坏程度增大,YAIhb和岩体损伤指标D之间符合双曲线分布规律。③最大主应力σ1增大引起YAIhb减小,两者表现出显著的线性关系;中间主应力σ2增大引起YAIhb呈现先增大后减小的趋势,可用3次多项式曲线对其关系进行拟合;YAIhb随着最小主应力σ3的增大而线性增大。     

经验参数m,s对岩体强度的影响

在研究Hoek-Brown经验强度准则过程中,不难发现,该准则将工程岩体在荷载作用下表现出来的复杂破坏,归结为拉伸和剪切破坏两种机制;将影响岩体强度的复杂因素,集中包含在准则引用的两个经验参数m(岩石软硬程度)、s(岩体破坏程度)之中。因而研究m,s两参数对岩体强度的影响,有较大的工程实用价值。本着从工程应用精度要求出发,侧重其m,s对岩体强度值计算精度的影响和规律进行了探讨和研究,指出了精确确定m,s值对岩体强度的应用与理论规律研究的重要性,同时也对工程正确应用该准则给予了启迪和帮助。