張耀平，曹 平，袁海平

(1.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000;2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

巖體是地質(zhì)體，它經(jīng)歷過(guò)多次反復(fù)的地質(zhì)作用，經(jīng)受過(guò)變形、遭受過(guò)破壞，形成一定的巖石成份和結(jié)構(gòu)，賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中。巖體抵抗外力作用的能力稱為巖體的力學(xué)性質(zhì)，主要包括巖體的穩(wěn)定性特征、強(qiáng)度特征和變形特征。巖體的性質(zhì)不是固定不變的，由于巖體結(jié)構(gòu)的原因，它可以隨試件尺寸的增大而降低，而且工程開挖方向與巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀間的關(guān)系不同，其變形與破壞方式也不一樣，同時(shí)它隨著環(huán)境因素的變化而變化。因此，影響巖體力學(xué)性質(zhì)的的基本因素有：結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)和環(huán)境特別是水和地應(yīng)力的作用[1-6]。在某種情況下，結(jié)構(gòu)體對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)作用具有控制作用。在結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度很高時(shí)，主要是結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)決定巖體的力學(xué)性質(zhì)，巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)在巖體的爬坡角效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和各向異性效應(yīng)方面。此外，巖體的環(huán)境因素(地應(yīng)力、地下水和地溫)也對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。

巖體是由組成巖體的巖石、結(jié)構(gòu)面和賦存條件決定的，雖由巖石組成，但與巖石有較大差別，它是由一系列結(jié)構(gòu)面及被結(jié)構(gòu)面切割成的結(jié)構(gòu)體所組成的復(fù)雜介質(zhì)，巖體力學(xué)參數(shù)的選取得是否得當(dāng)，是影響工程技術(shù)分析結(jié)果的關(guān)鍵。巖體力學(xué)參數(shù)的獲取可通過(guò)多種方法，如現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，可直接獲得相關(guān)巖體的力學(xué)參數(shù)，但因需耗費(fèi)大量的財(cái)力和人力，一般工程單位難以承受，且獲取巖體力學(xué)參數(shù)的方法、設(shè)備、手段與巖體的工程狀態(tài)具有較大的差異性，即使是現(xiàn)場(chǎng)原位巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，因試件體積的大小、模擬條件的差別及試驗(yàn)手段的不完善，使得代表性、可靠性受到一定的局限，因而也不能原封不動(dòng)地應(yīng)用于巖體工程，都應(yīng)該進(jìn)行必要的工程處理，才能獲取比較接近巖體工程實(shí)際的強(qiáng)度指標(biāo)。獲取巖體力學(xué)參數(shù)的另一種方法是通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)得到的參數(shù)來(lái)推算巖體力學(xué)參數(shù)。力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用于巖體工程時(shí)，需考慮到巖體與巖石的差別，直接將室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的力學(xué)參數(shù)應(yīng)用于巖體工程計(jì)算是不妥的。

事實(shí)上，所有地下工程結(jié)構(gòu)都在巖體中，為了分析地下工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，必須知道巖體的力學(xué)參數(shù)。因此，將巖石的力學(xué)參數(shù)正確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行地下工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的前提和關(guān)鍵，這一問(wèn)題至今仍然是巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容，一般將上述工作稱為對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的工程化處理。

巖體的力學(xué)參數(shù)主要是彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。為獲取滿意的巖體力學(xué)參數(shù)，本文采用E.Hoek法、彈性波法、經(jīng)驗(yàn)折減法集系數(shù)換算法進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)取值研究。

對(duì)于龍橋鐵礦的巖體，由于結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度很高，其結(jié)構(gòu)體的力學(xué)效應(yīng)主要由巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)控制。由前面的節(jié)理裂隙調(diào)查可知，除幾條主要斷層外，其結(jié)構(gòu)面主要以閉合小節(jié)理為主，節(jié)理的主方向有4個(gè)，很難找出由節(jié)理控制巖體破壞的優(yōu)勢(shì)面,因而只能從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度認(rèn)為這些密集的小節(jié)理從整體上降低了巖體的強(qiáng)度。

1 巖體力學(xué)取值方法及在龍橋鐵礦的應(yīng)用

1.1 E.Hoek法

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用的試件體積較小，包含的節(jié)理裂隙較少。因此，可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似看成完整巖石的材料常數(shù)。采用霍克-布朗公式，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到巖石破壞時(shí)的主應(yīng)力關(guān)系曲線、莫爾包絡(luò)線、以及m、s、C、φ、σC等常數(shù)[6]。

霍克-布朗公式給出的巖石破壞時(shí)主應(yīng)力之間的關(guān)系曲線為：

(1)

式中：σ1為破壞時(shí)的最大主應(yīng)力；σ3為巖石試樣上的最小主應(yīng)力；σC為完整巖石上的單軸抗壓強(qiáng)度；m與s為常數(shù)，取決于巖石性質(zhì)和質(zhì)量。

對(duì)于完整巖石s=1，對(duì)有破損的巖石s<1。

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，只要定出抗壓強(qiáng)度σC、常數(shù)m及s，式(1)便可完全確定。

由回歸后得到的式(1)求出一組σ1及σ3，就可以構(gòu)成一個(gè)完整的莫爾包絡(luò)線。這個(gè)包絡(luò)線是一條曲線。為了方便，經(jīng)常將其看成直線，這條直線也是通過(guò)回歸分析得到。直線方程可表示為：

(2)

將室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸，通過(guò)回歸，得到完整巖石力學(xué)參數(shù)m、s及抗壓、抗拉強(qiáng)度，然后利用巖體分類，進(jìn)一步得到各類巖體強(qiáng)度C、φ值，以便在穩(wěn)定性分析中使用。

1.2 彈性波法

在巖體工程中接觸的是巖體而不是巖石，但巖體是由巖石組成的，兩者的力學(xué)參數(shù)必然有一定的聯(lián)系。但巖體畢竟與巖石不同，其性質(zhì)并不完全由巖石決定，它們的力學(xué)參數(shù)也不完全相等。一般情況下巖體是由包含一系列結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu)體所組成的復(fù)雜介質(zhì)，從而巖體性質(zhì)取決于所組成的巖石及結(jié)構(gòu)面性質(zhì)，于是自然會(huì)想到用室內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)得到的參數(shù)來(lái)推算巖體力學(xué)參數(shù)這一思路。

許多巖石力學(xué)文獻(xiàn)中都介紹了計(jì)算巖體強(qiáng)度的彈性波法，即根據(jù)彈性波在巖體和該巖石試件中的傳播速度比，作為判別巖體裂隙發(fā)育的程度，稱此值的平方為龜裂系數(shù)，以K表示為：

(3)

式中，V為巖體中彈性波的傳播速度；v為巖石中彈性波的傳播速度。

各種巖體的龜裂系數(shù)如表1所示。

表1 各類巖體龜裂系數(shù)

準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度計(jì)算式為：

(4)

準(zhǔn)巖體抗拉強(qiáng)度計(jì)算式為：

(5)

式中，σC、σt分別為巖石試件的單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度。

通過(guò)龜裂系數(shù)的計(jì)算，可得到巖體的力學(xué)參數(shù)，但有其本身的應(yīng)用范圍，用龜裂系數(shù)計(jì)算得到的巖體強(qiáng)度本身也是一種近似估算值。一些室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料表明，同類巖性在相距不遠(yuǎn)的不同地點(diǎn)，得到的測(cè)試結(jié)果可能相差較大，且測(cè)試地點(diǎn)中巖性變化、斷層產(chǎn)狀及規(guī)模、地下水、巖體含水率變化等對(duì)聲波波速的影響較大，表現(xiàn)出較大的離散性，其測(cè)試結(jié)果在應(yīng)用中存在一定困難，導(dǎo)致通過(guò)龜裂系數(shù)得到的巖體強(qiáng)度可靠性低。但前述的龜裂系數(shù)給我們提供了一種思路，即采用某種計(jì)算方法，通過(guò)室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得巖體抗壓強(qiáng)度的推算值，并用巖體抗壓強(qiáng)度推算值與巖石抗壓強(qiáng)度之比，作為巖體強(qiáng)度的弱化系數(shù)，然后就可用該系數(shù)來(lái)計(jì)算該巖體其他參數(shù)。

本文巖石龜裂系數(shù)取K=0.75，利用式(4)和式(5)對(duì)進(jìn)行折減，其中因礦巖和粗安巖未進(jìn)行抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，在此按泥質(zhì)粉砂巖的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值取礦巖和粗安巖的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行取值，工程處理的巖體強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。

表2 彈性波強(qiáng)度折減處理結(jié)果

1.3 M.Georgi法

M.Georgi對(duì)片麻巖、大理巖、輝長(zhǎng)巖、角閃巖、二長(zhǎng)班巖、安山巖、玄武巖、流紋巖等15種堅(jiān)硬的火山巖和變質(zhì)巖的巖石強(qiáng)度和巖體強(qiáng)度進(jìn)行了研究后，得出下述經(jīng)驗(yàn)公式：

(6)

式中：i為不連續(xù)面密度(條/m)；CK為巖石內(nèi)聚力(MPa)；Cm為弱化后的巖體內(nèi)聚力(MPa)。

按M.Georgi的分析方法，對(duì)龍橋鐵礦3種巖體類型分別進(jìn)行了計(jì)算，其經(jīng)M.Georgi法弱化后的計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 M.Georgi法巖體力學(xué)參數(shù)處理結(jié)果

1.4 經(jīng)驗(yàn)折減法

國(guó)內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)，往往根據(jù)自己從事該類工程的多年經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程的地質(zhì)、水文和各類力學(xué)試驗(yàn)的具體條件，對(duì)巖石三軸強(qiáng)度參數(shù)CK、φK和變形參數(shù)E采取折減的辦法，一些巖體工程專家常以降低某個(gè)量級(jí)取定Cm值。這種處理辦法是以豐富的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和實(shí)地調(diào)查及巖石力學(xué)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。在這方面，筆者通過(guò)對(duì)龍橋鐵礦現(xiàn)有資料和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況特征的分析，擬采用考慮裂隙密度i(條/m)對(duì)巖體內(nèi)聚力的影響，將巖塊的CK降低(i+10)倍，弱化結(jié)果見表4。

表4 經(jīng)驗(yàn)折減法巖體力學(xué)參數(shù)處理結(jié)果

另一種經(jīng)驗(yàn)折減法為系數(shù)換算法，是一些從事巖石力學(xué)試驗(yàn)多年的研究者，根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)出的一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，得到完整無(wú)裂隙的堅(jiān)硬巖塊的內(nèi)摩擦角tgφK，約為巖體內(nèi)摩擦角tgφm的1.1～1.2倍。作為在龍橋鐵礦應(yīng)用，我們將巖石的內(nèi)摩擦角tgφK折減0.85來(lái)計(jì)算巖體的內(nèi)摩擦角φm，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 系數(shù)換算法估算φm處理結(jié)果

1.5 費(fèi)森科(Г.ФИceHKO)法

該方法除考慮不連續(xù)面密度外，還考慮了巖體破壞高度，多適用于煤田層積巖較堅(jiān)硬-較軟巖層。此方法認(rèn)為巖體的強(qiáng)度與巖塊的強(qiáng)度之間存在如下關(guān)系：

(7)

式中：H為巖體破壞高度，這里取分段平均高度12.5m；L為被節(jié)理面切割的巖塊尺寸，以m/條表示；a為取決于巖塊強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面分布特征的系數(shù)。

用費(fèi)森科法處理的Cm值比試驗(yàn)的CK值降低了數(shù)十倍，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 費(fèi)森科法巖體黏結(jié)力參數(shù)處理結(jié)果

2 巖體力學(xué)參數(shù)的綜合推薦值

前面對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了多方法的研究處理，可以看出，由于處理方法的不同，得到的結(jié)果差別也較大。經(jīng)分析，M.Georgi法及費(fèi)森科法是從淺埋巖體或露天巖體發(fā)展起來(lái)的，而這種淺埋或露天巖體，其風(fēng)化或半風(fēng)化是影響巖體強(qiáng)度的主要因素，比較適合于淺埋巷道工程的巖體強(qiáng)度分析。而經(jīng)驗(yàn)折減法和系數(shù)換算法，是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)巖體強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)，人為影響因素較大，其可信程度較低。這四種方法，未全面考慮節(jié)理間距、節(jié)理傾角、節(jié)理持續(xù)性、節(jié)理面的粗糙度及水文地質(zhì)條件的影響，僅為經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。

節(jié)理巖體CSIR工程分類法及E.Hock法，首先從室內(nèi)巖石三軸試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，利用式(1)霍克-布朗公式進(jìn)行完整巖石強(qiáng)度曲線擬合，獲得完整巖石常數(shù)m、s；然后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查，考慮巖石質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理間距、節(jié)理狀況及地下水等情況，進(jìn)行礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)，得到CSIR總評(píng)分值，由此得到節(jié)理巖體的m、s常數(shù)，并由此得到節(jié)理巖體的強(qiáng)度曲線及莫爾包絡(luò)線，從而得到相應(yīng)巖體的強(qiáng)度值。這種方法，具有比較嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，獲得的結(jié)果也接近實(shí)際。

本文結(jié)合龍橋鐵礦實(shí)際情況，綜合考慮各種折減方法所得結(jié)果，提出龍橋鐵礦巖體力學(xué)參數(shù)的推薦值，各參數(shù)一般情況下取各折減方法所得結(jié)果的平均值，彈性模量按巖石的1/3取值。經(jīng)巖體力學(xué)工程處理后，推薦的巖體力學(xué)參數(shù)見表7。

表7 巖體力學(xué)參數(shù)工程化處理推薦結(jié)果

3 結(jié)論

對(duì)不同的巖體力學(xué)參數(shù)取值方法進(jìn)行比較分析，可以看出，由于處理方法的不同，得到的結(jié)果差別也較大。M.Georgi法、費(fèi)森科法、經(jīng)驗(yàn)折減法及系數(shù)換算法未全面考慮節(jié)理間距、節(jié)理傾角、節(jié)理持續(xù)性、節(jié)理面的粗糙度及水文地質(zhì)條件的影響，僅為經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。節(jié)理巖體CSIR工程分類法及E.Hock法，首先從室內(nèi)巖石三軸試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，具有比較嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，獲得的結(jié)果也接近實(shí)際。本文結(jié)合龍橋鐵礦實(shí)際情況，綜合考慮各種折減方法所得結(jié)果，提出龍橋鐵礦巖體力學(xué)參數(shù)的推薦值。

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