施建俊,苗曉鵬,陳 慧,黃志強(qiáng),張小軍
(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)
巖體力學(xué)參數(shù)是巖體穩(wěn)定性分析的依據(jù)[1],獲得巖體力學(xué)參數(shù)最準(zhǔn)確的方法是大型室內(nèi)試驗(yàn),其費(fèi)用高且過(guò)程復(fù)雜,利用Hoek-Brown巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)獲取巖體的力學(xué)參數(shù)(抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角)是直觀可靠的方法[2]。盡管廣義Hoek-Brown巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則綜合考慮了巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMR)、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)[3](GSI)和巖石的擾動(dòng)因子等參數(shù),但計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程中巖體的受力狀態(tài)、巖體力學(xué)參數(shù)仍存在一定的偏差。張建海等[4]通過(guò)對(duì)參數(shù)mb和s的改進(jìn),合理預(yù)測(cè)了小灣工程的巖體力學(xué)參數(shù);閆長(zhǎng)斌等[5]引進(jìn)巖體的完整性系數(shù)和爆破擾動(dòng)修正系數(shù),提出基于BDRMP法的mb和s的修正公式;高悅等[6]人利用正切函數(shù)表征巖體完整性系數(shù)與擾動(dòng)修正系數(shù)的關(guān)系,用于評(píng)價(jià)巖體工程的穩(wěn)定性。在前人對(duì)mb和s的改進(jìn)公式中,閆長(zhǎng)斌[5]引入的巖體完整性系數(shù)與Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的擾動(dòng)因子并無(wú)直接的關(guān)系,若直接將擾動(dòng)因子和損傷度或巖體完整性系數(shù)建立關(guān)系,在理論層面缺少一定的依據(jù);巫德斌等[7]將爆破損傷模量引入Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中,以反映邊坡受到爆破的擾動(dòng)程度,實(shí)際上損傷模量與擾動(dòng)因子兩者形式一樣,含義不同,將兩者建立等價(jià)關(guān)系是值得商榷的;文獻(xiàn)[5~6]認(rèn)為巖體完整性系數(shù)與爆破擾動(dòng)影響系數(shù)是線性、正切函數(shù)關(guān)系,并未充分考慮工程的實(shí)際情況。為克服上述改進(jìn)公式的不足之處,結(jié)合模糊綜合預(yù)測(cè)理論和臺(tái)階爆破現(xiàn)場(chǎng)聲波數(shù)據(jù),推導(dǎo)出更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的mb和s的改進(jìn)公式,可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。
1982年,Evert Hoek和E.T.Brown在研究地下開(kāi)挖工程時(shí),在參考格里菲斯經(jīng)典強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上,提出基于巖石質(zhì)量等級(jí)的經(jīng)驗(yàn)公式,如式(1)所示;2002年,Hoek等人又更新該理論,引進(jìn)巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMR)及地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI),盡可能地反映原巖的各項(xiàng)物理參數(shù)[8]。目前應(yīng)用最廣泛的廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則[9],不僅引入了參數(shù)RMR、GSI、mb、s和a,還引入了擾動(dòng)因子D,用于表示應(yīng)力釋放和爆炸破壞等對(duì)巖體的擾動(dòng)作用,如式(2)所示。
(1)
(2)
式中:σ′1、σ′3為巖石破裂時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;σci為完整巖體單軸抗壓強(qiáng)度;σt巖體抗拉強(qiáng)度;mi為反映巖石軟硬程度的常數(shù),取值范圍0.001~25;s、mb、a為反映巖體破碎程度和節(jié)理特征的常數(shù),由mi、巖體質(zhì)量指標(biāo)(RMR)及地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)確定。當(dāng)a=0.5時(shí),即為現(xiàn)在常用的經(jīng)驗(yàn)公式[10],如式(1)。
在式(1)中,完整巖體單軸抗壓強(qiáng)度σci可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到;GSI和RMR可通過(guò)巖體各參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得;mi可根據(jù)巖體種類(lèi)查表后得到,然而mb和s沒(méi)有準(zhǔn)確的獲得方式,具有隨意性和不確定性。高云河等指出mb和s在Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的現(xiàn)實(shí)意義與Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則中的內(nèi)摩擦角和粘聚力相似,都是反映巖石性質(zhì)的力學(xué)參數(shù);Hoek-Brown認(rèn)為采用GSI(地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo))或RMR分類(lèi)指標(biāo)值來(lái)確定mb和s可以提高巖石力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確度;宋建波等[11]總結(jié)出mb和s的野外估算方法和大型剪切試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等試驗(yàn)方法。由此可見(jiàn),mb和s是對(duì)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則影響程度最大的參數(shù),mb和s的精度直接關(guān)系到Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的準(zhǔn)確度。
國(guó)內(nèi)學(xué)者張建海等[4]認(rèn)為,由于在制樣過(guò)程中種種工序的影響,現(xiàn)場(chǎng)大剪試體屬于擾動(dòng)巖體,對(duì)于巖石邊坡、壩肩或壩基部位的巖體、地下硐室圍巖處于未擾動(dòng)和擾動(dòng)之間的巖體,借助Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則基礎(chǔ)公式,提出對(duì)mb和s的修正公式:
(3)
由分析可知,式(3)忽略了巖體實(shí)際所受的擾動(dòng)情況,這與真實(shí)情況是相悖的。
Sonmez H和Ulusay R[12]認(rèn)為巖體受爆破開(kāi)挖等因素的擾動(dòng)是必須要考慮的,兩人引進(jìn)了Kendorski F S和Cumming R A[9]所提出的開(kāi)挖影響系數(shù)df,推導(dǎo)了mb和s的計(jì)算公式:
(4)
(5)
上式考慮了實(shí)際過(guò)程中巖體所受爆破開(kāi)挖等因素的擾動(dòng)情況,顯然比前兩者更具有準(zhǔn)確性和合理性,然而在確定開(kāi)挖影響系數(shù)df方面比較困難,不利于工程推廣。
閆長(zhǎng)斌等[5]運(yùn)用BDRMP法,綜合考慮巖體的完整性程度(爆破開(kāi)挖導(dǎo)致工程巖體完整性降低,巖石力學(xué)參數(shù)相應(yīng)弱化),引入爆破損傷度DB和巖體完整性系數(shù)Kv,提出了爆破擾動(dòng)修正系數(shù)Km和Ks對(duì)mb和s的修正公式:
(6)
(7)
若用爆破損傷度DB表示爆破擾動(dòng)程度修正系數(shù)Km和Ks,則有
(8)
式(8)是從理論上開(kāi)始了對(duì)巖體擾動(dòng)程度量化的研究,即將爆破擾動(dòng)與爆破巖體損傷和巖體完整性系數(shù)建立關(guān)系,但從本質(zhì)上與Hoek-Brown強(qiáng)度修正準(zhǔn)則是一樣的,即式(1)與式(8)是一個(gè)公式的兩種寫(xiě)法。
在爆破開(kāi)挖過(guò)程中,巖體由未擾動(dòng)狀態(tài)向擾動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡、由未損傷狀態(tài)向損傷狀態(tài)過(guò)渡。但Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中的擾動(dòng)因子與損傷力學(xué)中的損傷度并不是同一個(gè)概念,兩者并沒(méi)有直接聯(lián)系。由于Hoek等人在提出擾動(dòng)因子這一宏觀概念時(shí),僅僅是粗略地表達(dá)了巖體所受到的擾動(dòng)程度,即未擾動(dòng)、輕度擾動(dòng)、擾動(dòng)、完全擾動(dòng)等,故此方法依舊停留在經(jīng)驗(yàn)層面。而損傷度是通過(guò)彈性模量的減少來(lái)定義的。
(9)
式中:E0、E1分別為爆破前、后巖體的等效彈性模量;DB為損傷度。若將損傷度與擾動(dòng)因子直接建立等價(jià)關(guān)系,其結(jié)果的可靠性是值得商榷的。
根據(jù)Diederichs和Hoek[13]推導(dǎo)出巖體彈性模量的表達(dá)式:
(10)
將式(10)代入式(9)中,得到損傷度與擾動(dòng)因子的關(guān)系。
(11)
式中:D為擾動(dòng)因子。Hoek指出,該公式對(duì)于工程上非常破碎的巖體,即GSI取值趨于0時(shí),仍具有良好的適用性。式(11)從損傷度的定義出發(fā),更具理論性。
在渝懷二線Ⅳ標(biāo)漾頭車(chē)站石方控制爆破現(xiàn)場(chǎng),采用單排逐孔起爆臺(tái)階爆破,炮孔間延時(shí)采用大段別雷管(MS5),單端藥量為0.6 kg,最小抵抗線為0.8~1 m,使用RSM-SY5(T)非金屬聲波探測(cè)儀采集聲波數(shù)據(jù),炮孔與測(cè)試孔的相對(duì)位置如圖1所示,聲波探測(cè)儀的探測(cè)深度為0.8~2.5 m,每0.1 m讀取一次數(shù)據(jù)。提取其中3次臺(tái)階爆破(每次爆破共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)孔,從上往下分別是1#、2#、3#)的巖石縱波波速,共162組數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。
圖1 爆破現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試
表1 爆破聲波波速
由于測(cè)試孔與炮孔的距離很近,最小為3 m,柱狀藥包集中在炮孔底部,由柱面波反射、投射理論可知,孔底損傷程度高,爆破后聲速較小。
根據(jù)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5389-2007)[14],可采用爆破前、后巖體縱波波速的降低率來(lái)評(píng)價(jià)巖體爆破損傷程度及范圍:
(12)
式中:vp0、vp分別為爆破前、后的縱波波速;η為巖體的聲速降低率;DB為損傷度[15]。最終,巖體的聲速降低率和損傷度的分析結(jié)果分別如表2、表3所示。
表2 巖體的聲速降低率
表3 巖體的損傷度
由原始聲波數(shù)據(jù)計(jì)算得到聲速降低率η、損傷度DB后,通過(guò)模糊綜合預(yù)測(cè)的方法得出與之對(duì)應(yīng)的巖體爆破擾動(dòng)系數(shù)。模糊綜合預(yù)測(cè)的方法可分為模糊因果聚類(lèi)、建立特征模糊集、進(jìn)行預(yù)測(cè)3個(gè)步驟,具體計(jì)算過(guò)程如下。
設(shè)α為要預(yù)測(cè)的量,而α的預(yù)測(cè)問(wèn)題,則可以用三元結(jié)構(gòu)[X,ψ0(Y),φ]來(lái)描述,其中X=X1×X2×…×Xn是n元Descartes乘積,而X1,X2,…,Xn均為實(shí)數(shù)集,稱(chēng)為狀態(tài)空間,它們分別是α的n個(gè)因素f1,f2,f3,…,fn的取值范圍。Y也為實(shí)數(shù)集α的取值范圍,稱(chēng)為預(yù)測(cè)空間;而ψ0(Y)為Y的非空冪集,φ為X到ψ0(Y)的映射,即:
φ:X1×X2×…×Xn→ψ0(Y)
(13)
式(13)表示對(duì)給定的因素狀態(tài)(x1,x2,…,xn),與之對(duì)應(yīng)的α是Y中1個(gè)非空子集合,有時(shí)φ的取值退化為1個(gè)單點(diǎn)集,即:
φ:X1×X2×…×Xn→Y
(14)
通俗地講,α的預(yù)測(cè)問(wèn)題,就是在已知因素狀態(tài)(x1,x2,…,xn)的情況下,通過(guò)φ來(lái)求得α的估計(jì)值。但在實(shí)際問(wèn)題中要搞清楚φ的結(jié)構(gòu)和表達(dá)式往往是十分困難的,有時(shí)也是不必要的,因此一般不去直接研究φ的具體形式,而是應(yīng)用模糊因果聚類(lèi)和模式識(shí)別的手段,由因素狀態(tài)(x1,x2,…,xn)去推測(cè)α的取值,從而做出預(yù)測(cè)。
設(shè)有T期歷史數(shù)據(jù)(xt,yt)(t=1,2,…,T)其中:
(15)
基于因果聚類(lèi)進(jìn)行模糊預(yù)測(cè)的步驟如下:
1)模糊因果聚類(lèi)。記zt=(xt,yt)(t=1,2,…,T),利用模糊聚類(lèi)方法,求出z1,z2,…,zT的最佳聚類(lèi)。不妨設(shè)最佳聚類(lèi):
U1,U2,…,Um
2)建立特征模糊集。令
Vi=(xt1,xt2,…xtki)(i=1,2,…m)
(16)
其中(xts,yts)=zts∈Ui(s=1,2,…ki),即Vi是Ui向因素軸X的投影。計(jì)算
(17)
對(duì)于x=(x1,x2,…,xn)∈X,令
(18)
(19)
并求
(20)
于是對(duì)應(yīng)于分類(lèi){U1,U2,…,Um},有
(21)
3)進(jìn)行預(yù)測(cè)。假如對(duì)第s期(s>T)的α進(jìn)行預(yù)測(cè),分2種情況考慮:
根據(jù)上述模糊綜合預(yù)測(cè)理論進(jìn)行爆破擾動(dòng)參數(shù)的預(yù)測(cè),以式(22)作為修正公式的基本形式:
(22)
式中:K1、K2為表征巖體所處爆破擾動(dòng)狀態(tài)的參數(shù),對(duì)于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則K1=14,K2=6;張建海修正公式中,K1=21,K2=7.5,閆長(zhǎng)斌修正公式中,K1=28-14D,K2=9-3D,將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)162組構(gòu)造成矩陣,如式(23)所示:
(23)
在式(23)矩陣條件下,構(gòu)造初始矩陣:
(24)
通過(guò)計(jì)算得到最佳聚類(lèi),建立特征模糊集[(ω1,ω2,ω3)=(0.25,0.25,0.5)],最終得到基于損傷度DB和聲速降低率η的爆破擾動(dòng)參數(shù)模糊預(yù)測(cè)值為
(25)
將DB、η、K1、K2合并得
(26)
采用origin軟件將{K1,K2}分別與DB進(jìn)行擬合分析,擬合結(jié)果如圖2所示。
圖2 K1、K2與DB的擬合曲線
由擬合曲線可知,擾動(dòng)參數(shù)K1,K2與損傷度DB是線性變化關(guān)系,擬合公式為
(27)
將式(27)代入式(9)中,最終可得擾動(dòng)參數(shù)隨擾動(dòng)因子D的關(guān)系如下:
(28)
采用origin軟件將{K1,K2}分別與η進(jìn)行非線性擬合,擬合結(jié)果如圖3、圖4所示。
圖3 K1與η的擬合關(guān)系
圖4 K2隨η的擬合關(guān)系
由圖3、圖4擬合關(guān)系分析可知,擾動(dòng)參數(shù)K1,K2與聲速降低率η呈冪指數(shù)關(guān)系,擬合公式為
(29)
由爆破現(xiàn)場(chǎng)聲波數(shù)據(jù)計(jì)算得到損傷度DB、聲速降低率η之后,再由模糊綜合預(yù)測(cè)理論計(jì)算得到爆破擾動(dòng)參數(shù)K1,K2的預(yù)測(cè)值,最后將兩者進(jìn)行關(guān)系擬合,最終得到的修正公式為
(30)
(31)
用損傷度DB來(lái)表征擾動(dòng)參數(shù)K1,K2:
(32)
用聲速降低率η表征擾動(dòng)參數(shù)K1,K2:
(33)
用擾動(dòng)因子D來(lái)表征擾動(dòng)參數(shù)K1,K2
(34)
式中:損傷度DB、聲速降低率η介于0和1之間且連續(xù)變化,參數(shù)a變化范圍為0.50~0.65,取值范圍與參考文獻(xiàn)[16]中一致。值得注意的是,Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中的擾動(dòng)因子D適用范圍廣泛,可用于爆破擾動(dòng)、機(jī)械開(kāi)挖、礦井開(kāi)采等,而爆破擾動(dòng)參數(shù)K1,K2只適用于爆破開(kāi)挖下的巖體擾動(dòng),更加具有針對(duì)性。
在本文提出的修正公式的研究成果上,參考國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,建立了損傷程度(損傷度DB)、聲速降低率η、與巖體爆破擾動(dòng)情況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將巖體進(jìn)行爆破擾動(dòng)等級(jí)劃分,共分成未擾動(dòng)、輕度擾動(dòng)、擾動(dòng)、嚴(yán)重?cái)_動(dòng)、極度擾動(dòng)5種情況,對(duì)應(yīng)的聲速降低率和損傷度如表4所示。在實(shí)際工程中,要判斷巖體的擾動(dòng)狀態(tài)和損傷程度,可直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)聲波數(shù)據(jù),與Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中擾動(dòng)因子D的取值(見(jiàn)表5)相比,更具有實(shí)用性和可操作性,便于工程的應(yīng)用和推廣。
表4 DB、η與巖體爆破擾動(dòng)情況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系
表5 Hoek-Brown準(zhǔn)則中巖石不同狀態(tài)下D的建議值
在現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)無(wú)法展開(kāi)的情況下,可利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)獲取巖體力學(xué)參數(shù),如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形模量、粘聚力(c)、內(nèi)摩擦角(φ)等,具體計(jì)算公式如下:
將式(1)中的σ3=0,得到巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σcm,即
σcm=σci(s)a
(35)
Hoek給出的單軸抗拉強(qiáng)度σtm的計(jì)算公式如下
(36)
另外,Hoek等人通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)生成三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),選取抗拉強(qiáng)度和最大的圍壓上限,并對(duì)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合,得到計(jì)算公式如下
(37)
(38)
式中:σ3n為最小主應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的比值;σci、s、a、mb與式(1)含義相同。
楊澤[17]采用巖土體現(xiàn)場(chǎng)原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得云南香條村露天礦白云巖及砂質(zhì)白云巖的巖體力學(xué)參數(shù),筆者以該參考文獻(xiàn)[17]中的部分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ),分別利用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則、張建海修正公式、閆長(zhǎng)斌修正公式、本文提出的修正公式來(lái)計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)[18],計(jì)算公式如式(35)~(38)所示,之后與實(shí)測(cè)值進(jìn)行誤差分析。其中巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、RQD指標(biāo)、RMR值等原始數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)[16],計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如表6所示。
表6 實(shí)測(cè)值與各修正公式計(jì)算得到的巖石力學(xué)參數(shù)的誤差分析
由表6分析可得,本文提出修正公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值最為相近,誤差在6.32%~9.48%之間,嚴(yán)格控制在10%以?xún)?nèi);張建海修正公式的計(jì)算結(jié)果誤差最大,在14.11%以上;閆長(zhǎng)斌修正公式的計(jì)算結(jié)果誤差居中,在9.58%~12.65%之間。通過(guò)表6對(duì)比分析可知,本文提出的修正公式準(zhǔn)確性強(qiáng),可用于爆破開(kāi)挖下巖體力學(xué)參數(shù)的估算。
1)將Hoek-Brown巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則中的擾動(dòng)因子與損傷力學(xué)中的損傷度建立關(guān)系,為Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的參數(shù)修正提供了理論依據(jù)。
2)提出對(duì)mb和s的改進(jìn)公式,并以爆破作用下巖體的損傷度DB、聲速降低率η來(lái)表示巖體的擾動(dòng)狀態(tài),科學(xué)簡(jiǎn)潔,且兩者都可通過(guò)巖體的聲波測(cè)試試驗(yàn)獲得,數(shù)據(jù)獲取方式簡(jiǎn)單可靠、準(zhǔn)確合理、物理意義明確、便于工程中的應(yīng)用和推廣,修正公式結(jié)合了模糊綜合預(yù)測(cè)理論和臺(tái)階爆破現(xiàn)場(chǎng)聲波數(shù)據(jù),能夠很好地描述爆破作用下巖體的劣化程度。
3)建立了損傷程度、聲速降低率η與巖體爆破擾動(dòng)狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可對(duì)工程巖體進(jìn)行爆破擾動(dòng)等級(jí)的劃分。