劉宗建，王羽，黃欽瀚，高敖，熊力

巖體力學(xué)參數(shù)取值方法對(duì)比研究

劉宗建1，王羽2，黃欽瀚2，高敖2，熊力2

（1重慶建工集團(tuán)重慶4011222重慶交通大學(xué)重慶400074）

巖體材料最重要的特征是具有復(fù)雜的變異性，參數(shù)值具有顯著的不確定性。巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值是巖體力學(xué)研究中最困擾研究人員的瓶頸。本文對(duì)巖體參數(shù)的估計(jì)進(jìn)行了有益討論，分析了巖體力學(xué)參數(shù)取值問(wèn)題多種不同方法的研究狀況，這對(duì)促進(jìn)巖體工程設(shè)計(jì)參數(shù)的測(cè)定和正確選擇很有意義。

巖體力學(xué)參數(shù)；參數(shù)取值；方法；不確定性

1 引言

每年重慶都要進(jìn)行大量的工程建設(shè)，如高速公路、鐵路、港口碼頭等。這些工程大都涉及各類巖體，設(shè)計(jì)中必須充分了解這些巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，才能合理、科學(xué)地設(shè)計(jì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)。這就需要進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，以確定巖體的工程性質(zhì)參數(shù)。在許多情況下，地質(zhì)條件是相同或相近的，其物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)該也是相近的。因此，為減少工程建設(shè)中不必要的重復(fù)試驗(yàn)，對(duì)一些中小型項(xiàng)目，只對(duì)相關(guān)的巖體進(jìn)行簡(jiǎn)單物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定和選用有關(guān)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，以降低工程造價(jià)，縮短工期，使工程提前發(fā)揮效益。

這就需要對(duì)已有巖體的工程性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行詳盡的研究，得到較為完整和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，建立合理且相對(duì)準(zhǔn)確的巖體物理參數(shù)與力學(xué)性質(zhì)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，供設(shè)計(jì)參考選用。

2 巖體力學(xué)參數(shù)取值國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)外土木工程師已從幾十年的工程實(shí)踐中逐漸摸索出數(shù)十種巖體力學(xué)參數(shù)取值方法，研究的總趨勢(shì)由經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)、精度較差的數(shù)值計(jì)算向計(jì)算復(fù)雜、精度較高數(shù)值的分析發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的使用加快了這一過(guò)程。從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算值的確定，在一定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的取值和整理方法并不相同，有代表性的方法有以下幾種（見(jiàn)圖1）。

圖1 確定巖體力學(xué)參數(shù)方法

2.1 巖體力學(xué)試驗(yàn)

用原位試驗(yàn)確定巖體力學(xué)參數(shù)，能較好地反映巖體的自然特性，卻受到周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的限制。而且，即使是通用的平板載荷試驗(yàn)確定變形模量，仍顯示極大的分散性。由單軸抗壓試驗(yàn)獲得值比膨脹儀的大2.5倍，而由地震方法確定的值又大于膨脹儀的2倍?？梢?jiàn)，不同的試驗(yàn)方法具有極不相同的結(jié)果。這意味著僅僅依據(jù)原位試驗(yàn)是困難的，選取巖體力學(xué)參數(shù)需要通過(guò)工程判斷。原位試驗(yàn)結(jié)果的分散性，在很大程度上是尺寸效應(yīng)的緣故[1]。巖體的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)誤差值隨試體尺寸增大而減小。

2.2 工程類比經(jīng)驗(yàn)判斷法

在缺乏試驗(yàn)條件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下常采用此法，目前在工程實(shí)踐中占有一定的地位。利用已進(jìn)行的原位試驗(yàn)，把積累得到的數(shù)據(jù)資料加以應(yīng)用類比。如建立工程巖體質(zhì)量RMR與變形模量之間的預(yù)測(cè)方程；Q分類體系得分值與變形模量之間的變化范圍值等[2]。該方法在必要的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下，在一定條件下可以得到一些可供實(shí)用的結(jié)果。

2.3 數(shù)值方法

由于巖體力學(xué)參數(shù)受樣本量的限制而無(wú)法評(píng)價(jià)其精度，因而國(guó)內(nèi)外學(xué)者都非常注重?cái)?shù)值方法。例如Kulatilake根據(jù)節(jié)理幾何參數(shù)模型，運(yùn)用Monte－Carlo模擬得出不同尺寸巖體試件，然后運(yùn)用有限元解出強(qiáng)度值和變形參數(shù)，該法較好地解決了節(jié)理巖體的介質(zhì)模型，且從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)取值，研究思路完整，但計(jì)算工作量太大[3]。張武、張憲紅（1987）認(rèn)為受多向節(jié)理切割的巖體是一種近似各向異性的，連續(xù)的彈性介質(zhì)，探討了單向、雙向和多向節(jié)理巖體的彈性關(guān)系的表示，這種表示基于節(jié)理材料和巖體的彈性常數(shù)及節(jié)理的產(chǎn)狀參數(shù)。

2.4 反演分析

反分析計(jì)算可獲得巖體力學(xué)宏觀特性的綜合值，其基本思想最先由Kavangh、Gioda和Maier等人提出，Sakurai首次給出了均勻地應(yīng)力與巖體彈性模量的有限元反分析數(shù)值解。近幾十年來(lái)，許多研究者做了大量研究與應(yīng)用工作，并發(fā)展了彈塑性、粘彈性、粘彈塑性等非線性反分析。在確定性反分析的基礎(chǔ)上發(fā)展了灰色系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)等非確定性反分析，在有限元反分析的基礎(chǔ)上發(fā)展了邊界元、離散元、半解析元等反分析法。但反分析對(duì)于多因素非線性情況無(wú)法保證解答的唯一性，因此反演過(guò)程及其最終取值同專家的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。

3 巖體力學(xué)參數(shù)取值方法比對(duì)分析

國(guó)內(nèi)外巖體力學(xué)參數(shù)的各種取值方法各有特點(diǎn)，且在工程實(shí)踐中均普遍采用。具體對(duì)于基建工程而言，必要的經(jīng)驗(yàn)判斷是需要的，但應(yīng)使取值過(guò)程中盡可能降低人為因素影響，使所得結(jié)果過(guò)多的反映現(xiàn)場(chǎng)客觀實(shí)際。由于工程規(guī)模大，勘探試驗(yàn)工作量多且深入，因此選用何種取值方法使所得參數(shù)既準(zhǔn)確又合理、既能反映野外地質(zhì)特點(diǎn)又能將所有野外試驗(yàn)成果盡可能利用，是一件具有實(shí)際和經(jīng)濟(jì)意義的研究課題。

有些工程所選巖體力學(xué)參數(shù)不能很好地表征巖基的力學(xué)特性，并非是試驗(yàn)方法不當(dāng)、儀器精度不高，或者試驗(yàn)數(shù)量不夠，究其原因，主要在于選取參數(shù)的方法存在著一定局限性。如作圖法、算術(shù)平均法、最小二乘法等，雖然簡(jiǎn)便易行，但取值的精度和代表性不算太高，用于計(jì)算必然導(dǎo)致安全指標(biāo)不能真實(shí)地反映巖體的力學(xué)特性，例如，我們利用隨機(jī)一模糊法與可靠度方法對(duì)溪洛渡電站所做c、f值與成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院用優(yōu)定斜率法給出的c、f值有些巖類相差甚多，見(jiàn)表1[4]。

表1 不同方法的c、f取值比較

由表1可以看出，兩種方法關(guān)于Ⅲ類圍巖的c值相差約3倍，Ⅱ類圍巖的f值相差約0.5倍?？梢?jiàn)，采用不同取值方法，有時(shí)差別很大，利用不同參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)得到的結(jié)果往往相差也很大。

試驗(yàn)資料的可靠程度受試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境因素（如含水情況，溫度，加載大小，試件幾寸）等多種因索影響。根據(jù)試驗(yàn)成果，借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)，可消除一些偶然誤差，如用pauTa準(zhǔn)則、Chauvenet準(zhǔn)則、Grubbs準(zhǔn)則剔除異常值。在工程實(shí)踐中，溪洛渡電站巖體物理力學(xué)參數(shù)特征研究報(bào)告用散點(diǎn)圖舍去離散度較大的點(diǎn)也是一種很好的辦法。但由于試驗(yàn)成果主要受巖體力學(xué)性質(zhì)控制，分析整理資料前應(yīng)對(duì)各種地質(zhì)因素進(jìn)行分析和歸類，其步驟如下：

(1)將試驗(yàn)成果按工程地質(zhì)單元分類，如溪洛渡電站按巖體風(fēng)化程度的分類，巖體質(zhì)量RMR分級(jí)等，以此為依據(jù)編制單項(xiàng)試驗(yàn)成果和多項(xiàng)試驗(yàn)成果匯總表，用數(shù)學(xué)計(jì)算方法如最小二乘法、隨機(jī)一模糊法、可靠度分析、綜合模糊評(píng)判、分形、偏最小二乘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種方法進(jìn)行研究和計(jì)算，以得到有代表性的參數(shù)。

(2)研究各項(xiàng)試驗(yàn)成果內(nèi)在規(guī)律和相關(guān)關(guān)系，如溪洛渡電站變形模量和聲波速度之間有如下關(guān)系式，即巖體抗壓強(qiáng)度、變形模量與孔隙率（或吸水率）之間的關(guān)系：

E0=0.05+0.018 3VP-4.392

(3)在試驗(yàn)資料整理時(shí)要重視資料的合理性，要了解試驗(yàn)點(diǎn)的試件條件，成果的取舍要注意到試驗(yàn)點(diǎn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在選取試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)更要注意到相關(guān)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)。如用庫(kù)侖準(zhǔn)則選取抗剪參數(shù)時(shí)應(yīng)注意到摩擦系數(shù)f和凝聚力c是兩個(gè)獨(dú)立的值，它們隨風(fēng)化程度、含水量狀態(tài)不同而敏感性不一樣。一般來(lái)說(shuō)，f值較穩(wěn)定，c值變化較大。我們可用優(yōu)定斜率法先確定摩擦系數(shù)，再確定c值上下限，由此在圖上得到低值和高值兩條直線關(guān)系式，并以下限參數(shù)作為計(jì)算值。

4 結(jié)論

巖體工程參數(shù)設(shè)計(jì)值的研究是一項(xiàng)重要而又困難的工作，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者傾其一生才達(dá)到了在某一方面或幾個(gè)方面的先進(jìn)成果。目前，巖體力學(xué)參數(shù)取值的方法和手段眾多，各具特點(diǎn)，未來(lái)仍有許多值得探索的方法和手段。隨著研究的深入，無(wú)疑將不斷促進(jìn)人們對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)本質(zhì)屬性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

[1]郭培年.巖體（巖體）強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究[D].中國(guó)青年巖體力學(xué)與其應(yīng)用討論論文集，1994．

[2]蔡美峰等.巖體力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]Hoek E.Strength of Rock&Rock Masses[J].ISRM News Journal，1994，2(2):4-16..

[4]劉漢東.巖體力學(xué)參數(shù)優(yōu)選理論及應(yīng)用[M].北京:黃河水利出版社，2004.

責(zé)任編輯：余詠梅

施工經(jīng)驗(yàn)

怎樣尋找暗埋的電線盒

建筑電氣安裝工程的預(yù)埋工作中，電線盒應(yīng)依據(jù)圖紙定位安裝。但在工程實(shí)踐中，由于多種原因總有部分預(yù)埋在混凝土中的電線盒在澆筑混凝土的過(guò)程中被掩埋且位置發(fā)生了移動(dòng)。為了尋找這些暗埋的移動(dòng)的電線盒，通常采用注水法、敲擊法、沖擊鉆排孔法等方法尋找。但這些方法對(duì)尋找埋置較深的電線盒有一定的局限性?，F(xiàn)總結(jié)和介紹一些其他的方法，愿與廣大同行共享。

一、調(diào)幅收音機(jī)搜索市電信號(hào)法在已知通向暗盒的管道中穿進(jìn)鋼帶線，鋼帶線的頭部系一根雙芯細(xì)軟的導(dǎo)線并將線頭做絕緣處理。當(dāng)穿至盡頭后將導(dǎo)線的外端接入施工臨時(shí)用電的單相電，將調(diào)幅收音機(jī)打開靠近線管，使收音機(jī)的磁棒與線路成直角，沿著信號(hào)強(qiáng)的軌跡移動(dòng)。由于電場(chǎng)中攜帶著大量的雜波，可以覆蓋調(diào)幅收音機(jī)的幾乎所有頻段，所以，收音機(jī)中將收到強(qiáng)烈的嗡嗡聲，直至終點(diǎn)。這種方法也有一定的局限性，首先由于導(dǎo)線較細(xì)軟，容易破損，絕緣膠帶容易脫落，管路中一般有水，容易漏電，且還有信號(hào)強(qiáng)度不可調(diào)。如果相線平行導(dǎo)管內(nèi)的鋼帶線產(chǎn)生感應(yīng)，容易造成誤導(dǎo)等，所以不易準(zhǔn)確和防漏電。如果受其他條件所限必須采用這種方法時(shí)，一定要采取嚴(yán)格的防觸電措施。

二、調(diào)幅收音機(jī)搜索專用信號(hào)法采用自制的信號(hào)放大發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)，用調(diào)幅收音機(jī)搜索信號(hào)。此法并非首創(chuàng)，不過(guò)是電路設(shè)計(jì)方面略有不同。例如，《電子愛(ài)好者叢書》中介紹一種電源線尋跡器，該尋跡器制作簡(jiǎn)便，不過(guò)，其中涉及的關(guān)鍵零件在市場(chǎng)上不易購(gòu)到，例如音頻檢知器567、2N3906等。結(jié)合實(shí)際條件，可采用淘汰的電視遙控器、小型功放器，制作1臺(tái)信號(hào)放大發(fā)射機(jī)。首先，電視遙控器的選用方法如下：打開調(diào)幅收音機(jī)，用遙控器接近發(fā)射遙控信號(hào)，會(huì)聽(tīng)到清晰的脈沖聲，選用聲音連續(xù)、特征明顯的遙控器。將遙控器的任一開關(guān)改換為能鎖定的開關(guān)，將信號(hào)輸出端引至功率放大器的信號(hào)輸入端，地線、電源共用。但應(yīng)注意，給遙控器供的電應(yīng)經(jīng)過(guò)電阻降壓，維持遙控器的正常工作電壓。

使用的方法很簡(jiǎn)便。即在已知通向暗盒的管道中穿進(jìn)鋼帶線，同穿入的雙芯電線應(yīng)在穿入的一端短接且不需絕緣。放大器的輸出端可接一端信號(hào)正極，即可收到信號(hào)。如果信號(hào)較弱，可用正負(fù)極同時(shí)接導(dǎo)線的兩端信號(hào)，即可增強(qiáng)。搜索方法與上述方法相同。不過(guò)，值得注意的是，放大器的功率不宜太大，因?yàn)槎探虞敵龆擞锌赡軣龤Х糯笃?。可選用電腦臺(tái)式音箱中的放大器，其功率不過(guò)6w，且連續(xù)工作時(shí)間較短，不會(huì)出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象。此裝置也可用于查找不宜接人弱電線路的走向或故障點(diǎn)。

三、音笛法有些線路由于結(jié)構(gòu)鋼材的屏蔽作用或本身采用鋼管敷設(shè)將信號(hào)屏蔽，導(dǎo)致無(wú)法搜索?？刹捎檬謾C(jī)或電腦主板上的體積較小的音笛焊接在穿入管內(nèi)的導(dǎo)線一端，外面的一端接在上面所說(shuō)的放大器輸出端，調(diào)節(jié)音量，用耳朵去聽(tīng)發(fā)聲的部位即可。

Estimation of Geotechnical Parameters

The most important characteristic of geotechnical material is its complicated variability and its remarkable uncertainties of the parameters.How to decide the rock mechanics parameters is one of the most puzzled questions for geomechanical researchers.The rock mechanics,in this dissertation，is systematically studied concerning the estimation of geotechnical parameters，which is of great significance to develop the measures and proper choice of geotechnical parameters.

rock mechanics parameters；parameters decision；method；uncertainties

TU45

A

1671-9107（2012）03-0039-03

重慶市建委科技項(xiàng)目（110241）；重慶市教委科技項(xiàng)目（KJ110425）。

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.3.039

2011-10-29

劉宗建（1964-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>