王 賀，原 野，曹 輝，王志修

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

巖體是由巖塊和結(jié)構面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結(jié)構并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體[1]。巖體的力學參數(shù)是由巖塊和結(jié)構面兩者的力學特性共同決定的，是影響工程穩(wěn)定性問題的關鍵。其可通過多種方法獲取，現(xiàn)場原位試驗最為直觀可靠，但因成本較高、實施較為困難，且誤差較大而受到一定限制。此外，通過室內(nèi)巖石力學試驗獲取巖塊力學參數(shù)并采用經(jīng)驗法推算，通常采用Hoek-Brown法、彈性波法、經(jīng)驗折減系數(shù)法等，但該方法經(jīng)驗性較強，人為因素影響較大[2]。以離散單元法為代表的節(jié)理巖體數(shù)值計算技術的迅速發(fā)展，為節(jié)理巖體力學參數(shù)的選取開辟了一條新途徑，基于巖塊及結(jié)構面室內(nèi)試驗結(jié)果，采用三維節(jié)理網(wǎng)格隨機模擬技術、離散元數(shù)值試驗技術，可較為經(jīng)濟高效的獲取巖體力學參數(shù)，且較少的人為因素干擾而不失客觀性，因而日益受到關注[3-4]。

巖體尺寸大小是影響巖體力學參數(shù)的重要因素，當巖體體積大到某一值時，巖體力學參數(shù)不再隨體積而變化，此單元體即為巖體表征單元體(REV)。顯然，巖體力學參數(shù)的選取與REV是密切相關的[5]。近年來，巖體REV的研究成為一個熱點，一批新的研究成果開始涌現(xiàn)，眾多學者從不同角度采用不同方法對裂隙巖體REV展開研究[6-10]。本文結(jié)合國外某多金屬礦地下開采巖體力學參數(shù)的選取，采用現(xiàn)場節(jié)理裂隙調(diào)查、統(tǒng)計分析與三維節(jié)理網(wǎng)絡隨機模擬建立數(shù)值計算模型，通過數(shù)值試驗確定研究巖體的表征單元體尺度，并據(jù)此開展三軸壓縮試驗獲取巖體剪切強度參數(shù)，并與經(jīng)驗公式法所得參數(shù)進行對比，驗證了基于REV的巖體力學參數(shù)選取方法的合理性，為類似工程巖體力學參數(shù)的選取和評價提供參考。

1 結(jié)構面調(diào)查及統(tǒng)計分析

1.1 工程概況

國外某多金屬礦主要地層分布：下部巖性主要為角閃石巖、片麻狀閃長巖、透輝巖及磁鐵礦和矽卡巖；上部巖性主要為火山凝灰?guī)r、玄武巖、安山巖、流紋巖及長石斑巖等。礦區(qū)內(nèi)斷裂構造很發(fā)育，同時具有多期多次活動的特點，工程地質(zhì)條件屬于復雜類型。水文地質(zhì)條件簡單。為不失一般性，本研究僅選取較為典型的角礫巖開展節(jié)理面調(diào)查及統(tǒng)計分析。

1.2 節(jié)理面調(diào)查

本研究依據(jù)國際巖石力學學會(ISRM)建議[11]并參考國內(nèi)相關工程案例，采用詳細線法對巷道巖體出露面開展調(diào)查工作。如圖1所示，在待測量處劃定測線， 在距測線上下各1 m處作為窗口上限劃定統(tǒng)計窗口，確定基點坐標，并沿測線方向開始調(diào)查直至終點，統(tǒng)計窗口內(nèi)節(jié)理面發(fā)育情況(傾向/傾角、基距等)。本次節(jié)理裂隙調(diào)查共計布置測線10條，長度共計122.5 m，總計測得有效節(jié)理裂隙548條。

1.3 節(jié)理面分布特征統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析節(jié)理面傾向、傾角概率分布特性如圖2所示。在研究區(qū)域共分布有3組優(yōu)勢節(jié)理面組，即A組60°∠83°，B組173°∠60°，C組246°∠85°，分別服從正態(tài)分布及均勻分布，詳見表1。節(jié)理面在巖體中呈均勻分布，平均線密度4.5條/m。

圖1 詳細線法示意圖Fig.1 Detailed line method schematic diagram

圖2 節(jié)理面分布統(tǒng)計極點圖Fig.2 Statistical pole diagram of joint surface distribution

表1 節(jié)理面產(chǎn)狀統(tǒng)計分析表

2 數(shù)值試驗選取巖體力學參數(shù)

2.1 等效巖體模型構建

等效巖體技術是建立在節(jié)理三維網(wǎng)絡技術和離散元方法基礎之上，通過數(shù)值模擬的方法研究能夠表征巖體工程尺度力學效應的有效手段。建立等效巖體計算模型的關鍵技術包括建立結(jié)構面三維網(wǎng)絡模型和建立巖體力學計算模型，計算流程如圖3所示。本研究建立等效巖體計算模型如圖4所示，模型尺寸5 m×5 m×5 m，共計包含節(jié)理面16 000條，共由1 000個0.5 m×0.5 m×0.5 m小塊體堆積而成。

圖3 等效巖體計算模型建立流程圖Fig.3 Flowchart of constructing ERM calculation model

圖4 等效巖體計算模型Fig.4 ERM calculation model

2.2 巖體結(jié)構表征單元體確定

分別選取不同尺寸結(jié)構單元體開展單軸壓縮數(shù)值試驗，塊體采用摩爾-庫倫本構模型，節(jié)理面采用庫倫滑移本構模型，巖塊及節(jié)理面力學參數(shù)由室內(nèi)力學試驗確定，力學參數(shù)見表2。

表2 巖石及節(jié)理面力學參數(shù)

不同尺寸結(jié)構單元體單軸壓縮應力-應變曲線如圖5所示，取不同尺寸單元體峰值應力與體積做相關性分析，擬合曲線如圖6所示。

當結(jié)構單元體的體積不斷增大，其單軸壓縮強度表現(xiàn)出迅速下降，并在邊長1.5～2 m單元體后趨于穩(wěn)定，擬合峰值應力-體積曲線可得到二者存在的表征關系，見式(1)。

σcm=3.28+63.10e-3.87V

(1)

相對于完整巖塊，2 m單元體單軸壓縮強度衰減率為97%。與之相比，2～2.5 m巖體單軸壓縮強度衰減率僅為0.5%，因此可以認為2 m×2 m×2 m為等效巖體的表征單元體積。表征單元體單軸壓縮強度為3.28 MPa，由圖5中2 m單元體應力-應變曲線求得表征彈性模量為2.77 GPa。

2.3 巖體抗剪強度的確定

對表征單元體模型進行三軸壓縮數(shù)值試驗，巖石及節(jié)理面力學參數(shù)見表1，三軸圍壓分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa，三軸壓縮數(shù)值試驗所得應力-應變曲線如圖7所示。擬合峰值應力-圍壓相關關系如圖8所示，表征關系見式(2)。

σ1=2.86σ3+9.80

(2)

由《工程巖體試驗方法標準》可知，該三軸壓縮數(shù)值試驗所得巖體抗剪強度指標：內(nèi)摩擦角為28.81°，內(nèi)聚力為2.90 MPa。

圖5 不同尺寸結(jié)構單元體單軸壓縮應力-應變曲線Fig.5 Uniaxial compression stress-strain curves

圖6 不同尺寸結(jié)構單元體單軸壓縮強度-體積關系曲線Fig.6 Uniaxial compressive strength-volume relationship cuves

圖7 不同尺寸結(jié)構單元體三軸壓縮應力-應變曲線Fig.7 Triaxial compression stress-strain curves of structural elements of different sizes

圖8 三軸壓縮數(shù)值試驗峰值應力-圍壓關系Fig.8 The relationship between peak stress and confining pressure in triaxial compression numerical test

3 巖體力學參數(shù)評價

3.1 基于多指標的巖體質(zhì)量評價

GSI分類方法是根據(jù)野外工程地質(zhì)調(diào)查對工程巖體質(zhì)量進行評分，在此基礎上，運用Hoek-Brown準則求解工程巖體強度的一種方法[12]。此外，GSI指標亦可以通過RMR分類法及Q分類法所得指標進行換算得到。其中，RMR分類法是根據(jù)實測的巖塊強度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5類參數(shù)分別評分并相加得到，換算關系見式(3)。

GSI=RMR89-5

(3)

式中，RMR89為Bieniawski于1989年修正的RMR分類法指標。

Q分類法是根據(jù)實測的RQD值(%)、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度Jr、節(jié)理面蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw，以及地應力影響因素SRF等6項指標評分，并由式(4)予以確定。

(4)

Q分類法指標與GSI分類法指標換算關系見式(5)。

GSI=9lnQ’+44

(5)

式中，Q’值按Q分類法指標，將Jw和SRF取為1后求得。

本研究采用GSI、RMR、Q三種不同巖體質(zhì)量評價方法分別求得GSI指標，匯總見表3。

表3 巖體質(zhì)量評價結(jié)果匯總表

對比上述三種方法得出的GSI值差別不大。鑒于此，對GSI(RMR)、GSI(Q)、GSI(圖表法)取均值得到GSI(綜合評價)指標是合理的。

3.2 巖體力學參數(shù)評價

采用RocData軟件計算基于Hoek-Brown修正算法的抗剪強度及數(shù)值試驗所得巖體力學強度指標對比見表4。由表4可知，基于REV的巖體力學參數(shù)與基于巖體質(zhì)量評價的Heok-Brown經(jīng)驗參數(shù)總體相差不大，彈性模量及內(nèi)摩擦力的誤差率超過10%，說明基于REV的巖體力學參數(shù)選取是合理的。

表4 巖體力學參數(shù)數(shù)值解與經(jīng)驗值對比

4 結(jié) 論

1) 基于結(jié)構表征單元體的巖體力學參數(shù)選取方法是合理的，能夠部分替代巖體原位試驗，并為采礦工程巖體力學參數(shù)的確定提供參考。

2) 等效巖體的塊體采用摩爾-庫倫本構模型，節(jié)理面采用庫倫滑移本構模型能夠較好地反映研究角礫巖體的力學特性。

3) 通過多尺度等效巖體單、三軸數(shù)值試驗研究結(jié)果表明，研究角礫巖體的結(jié)構表征單元體積為2 m×2 m×2 m，該尺度巖體的單軸抗壓峰值強度為3.28 MPa，變形模量分別為2.77 GPa，內(nèi)摩擦角為28.81°，內(nèi)聚力為2.90 MPa。