董家興，周志強，王志榮，趙毅然,，李建國，沐紅元，左澍瓊，趙永川

(1.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000；3.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，昆明 650021)

1 研究背景

砂化白云巖是一種微晶-細晶結(jié)構(gòu)的巖石，在經(jīng)歷多期構(gòu)造運動的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下、受溶蝕和風(fēng)化的共同作用而導(dǎo)致巖體風(fēng)化成細砂狀、砂礫狀或碎塊狀[1]。因其巖體結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理發(fā)育，存在難以制作標(biāo)準(zhǔn)巖樣，通過室內(nèi)試驗獲取巖體力學(xué)參數(shù)的難題?；诖?，如何快速、便捷、經(jīng)濟的獲取砂化白云巖巖體力學(xué)參數(shù)并給出建議值成為目前亟待解決的問題。針對砂化白云巖巖體力學(xué)參數(shù)的獲取，國內(nèi)學(xué)者開展了研究。張良喜[2]采用間接劈裂法研究了不同砂化程度白云巖的抗拉強度；田啟文和岳朝林[3]通過室內(nèi)試驗，研究了不同巖溶砂化情況下白云巖的巖體力學(xué)參數(shù)；吳凡[4]通過重塑砂化白云巖制作標(biāo)準(zhǔn)巖樣，開展三軸壓縮試驗，研究了不同顆粒含量的砂化白云巖力學(xué)參數(shù)。如前所述，強烈、劇烈砂化的白云巖巖體結(jié)構(gòu)破碎，制作室內(nèi)巖石力學(xué)試驗所需的試樣困難，原位測試、估算等巖體力學(xué)參數(shù)取值方法可能更為直接和可靠。

基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)估算方法，近些年來得到很好的發(fā)展和廣泛應(yīng)用[5]。1992年，Hoek等[6]對狹義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則進行改進，引入了地質(zhì)強度指標(biāo)(Geological Strength Index，GSI)對Hoek-Brown強度準(zhǔn)則修正，使得該準(zhǔn)則在巖體力學(xué)參數(shù)估算中的適用性和準(zhǔn)確度得到提升。隨著工程建設(shè)的發(fā)展，巖體擾動系數(shù)D被引入到廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則中，用于對巖體常數(shù)進行修正[7]。具體地，於汝山等[8]以Hoek-Brown強度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，研究了錦屏深埋大理巖的強度包絡(luò)線表現(xiàn)出明顯的非線性特征；吳松等[9]通過巖體地質(zhì)力學(xué)分類(RMR)法、Hoek-Brown強度準(zhǔn)則，結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，估算出了邊坡巖體參數(shù)；邢軍等[10]依據(jù)模糊聚類的結(jié)果，利用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則確定出裂隙邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)；朱璽璽等[11]以試驗得出的巖塊物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，運用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則對巖塊物理力學(xué)參數(shù)進行工程折減弱化處理，經(jīng)過對比分析，結(jié)果表明估算獲得的巖體抗剪強度參數(shù)是合理的；Behnam等[12]通過以Hoek-Brown強度準(zhǔn)則與Roclab巖體參數(shù)預(yù)測軟件對巖體力學(xué)參數(shù)進行預(yù)測，相比于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，Hoek-Brown準(zhǔn)則(2002年版)能更好地描述頁巖破壞特征。

綜上，砂化白云巖巖體力學(xué)參數(shù)更多的是通過室內(nèi)試驗獲取的，但對于白云巖砂化較為嚴(yán)重的巖體并未給出具體的巖體力學(xué)參數(shù)取值方法。為此，基于工程地質(zhì)調(diào)查和針貫入試驗，運用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則進行砂化白云巖力學(xué)參數(shù)估算，該研究擴展了砂化白云巖力學(xué)參數(shù)取值方法，具有重要意義。

2 Hoek-Brown強度準(zhǔn)則

本文采用Hoek-Brown準(zhǔn)則對砂化白云巖進行巖體力學(xué)參數(shù)估算。Hoek-Brown強度準(zhǔn)則[7]公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

當(dāng)σci≤100 MPa時有

(5)

當(dāng)σci>100 MPa時有

(6)

式中：σ1為巖體破壞時最大主應(yīng)力(MPa)；σ3為巖體破壞時最小主應(yīng)力(MPa)；σci為完整巖石的單軸抗壓強度(MPa)；mb為完整巖石經(jīng)驗參數(shù)mi的折減值；a為節(jié)理巖體表征常數(shù)；s為反映巖體破碎程度的系數(shù)；En為巖體變形模量(GPa)；GSI為地質(zhì)強度指標(biāo)。

3 砂化白云巖特征

3.1 白云巖砂化等級

根據(jù)滇中引水工程玉溪段現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)白云巖的砂化發(fā)育不均勻，地表和輸水隧洞洞內(nèi)都有揭露[13]。砂化白云巖因其結(jié)構(gòu)特征不同被劃分為：微新巖體、中等砂化、強烈砂化、劇烈砂化4個等級[1]。

強烈砂化白云巖巖體手捏易散成白云巖砂，且膠結(jié)程度不一，巖體強度降低，多為薄層碎裂結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)大部分已破壞，變酥易碎，巖石大部分已變色，局部色澤新鮮，其圍巖為Ⅳ-Ⅴ類[1]。砂化現(xiàn)象主要沿巖體層面和各種裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)生，常見灰黃色-灰白色白云巖礫、白云巖砂和白云巖粉填充，局部有大量次生夾泥，錘擊聲啞。強烈砂化白云巖典型照片如圖1所示。

圖1 強烈砂化白云巖Fig.1 Intensively sandy dolomite

劇烈砂化白云巖巖體多為碎裂散體結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)基本被破壞，巖石完全變色，光澤消失，圍巖主要為Ⅴ類[1]。主要表現(xiàn)為典型“砂包石”，基巖多被白云巖砂和白云巖粉(細粒)覆蓋。劇烈砂化白云巖典型照片如圖2所示。

圖2 劇烈砂化白云巖Fig.2 Fiercely sandy dolomite

微新巖體、中等砂化白云巖巖體結(jié)構(gòu)較完整，可以通過室內(nèi)試驗獲取其力學(xué)參數(shù)，而劇烈砂化白云巖巖體極破碎，在Hoek-Brown強度準(zhǔn)則中可能不適用?；诖?，本文主要著重對巖體較為破碎的強烈砂化白云巖進行巖體力學(xué)參數(shù)估算研究。

3.2 針貫入測試

針對砂化白云巖的σci值，由于強烈砂化白云巖的巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，難以通過制作標(biāo)準(zhǔn)樣來進行單軸試驗獲取其單軸抗壓強度?；诖耍疚囊隨H-70型針貫入儀(圖3)，用來測試強烈砂化白云巖的單軸抗壓強度。該儀器具有操作簡單、攜帶方便等優(yōu)點，可以很好地滿足現(xiàn)場對強烈砂化白云巖進行強度測試的需求。由于現(xiàn)場針貫入試驗測試范圍較小，且強烈白云巖砂化巖體的節(jié)理裂隙較為發(fā)育，測試得到巖石單軸抗壓強度[14]。

圖3 針貫入儀Fig.3 Needle penetrator

針貫入儀獲取單軸抗壓強度的原理是根據(jù)針貫入試驗時的貫入量L達到10 mm或貫入力F到達100 N時，讀取并記錄貫入量或貫入力，試驗結(jié)束后通過公式換算單軸抗壓強度(UCS)。

針貫入比NPI計算公式[15]見式(7)和式(8)。

當(dāng)L=10 mm，F(xiàn)≤100 N時有

NPI=F/10 ；

(7)

當(dāng)F=100 N，L≤10 mm時有

NPI=100/L。

(8)

針貫入值與單軸抗壓強度換算經(jīng)驗公式為

lgUCS=0.978lgNPI+2.621 。

(9)

式中：L為貫入量(mm)；F為貫入力(N)；NPI為針貫入比(N/mm)；UCS為單軸抗壓強度(MPa)。

研究區(qū)強烈、劇烈砂化露頭的100組樣品的針貫入比結(jié)果以及UCS計算值為：NPI=7.5～40.0 N/mm，平均值為15.11 N/mm；UCS計算值為3.00～15.41 MPa，平均值為5.93 MPa。

4 基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的強烈砂化白云巖力學(xué)參數(shù)估算

4.1 砂化白云巖參數(shù)取值

運用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則之前需對強烈、砂化白云巖的mi、D、GSI進行合理取值。

(1)mi取值。因為砂化白云巖的特殊性，難以通過制作巖樣來獲取mi值，因此通過Hoek研究的巖石經(jīng)驗參數(shù)表1(節(jié)選沉積巖部分)進行確定[16]。根據(jù)表1，結(jié)合白云巖的結(jié)構(gòu)特征，本文取砂化白云巖mi值為9。

表1 完整巖石常量mi值Table 1 Constant mi value of intact rock

(2)擾動系數(shù)D取值。參照文獻[17]，由于針貫入試驗均在野外天然露頭完成，未受到工程開挖、爆破等擾動影響，因此砂化白云巖擾動系數(shù)D值取0。

(3)GSI的確定。本文采用文獻[18]提出的依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征定量化GSI的方法(見圖4)進行取值。該取值方法通過獲取砂化白云巖的巖體塊度指數(shù)(Rock Block Index，RBI)和巖石絕對風(fēng)化指數(shù)(Absolute Weathering Index，AWI)，根據(jù)圖4確定砂化白云巖的GSI。本文中涉及的強烈砂化砂化白云巖RBI和AWI取值，分別為RBI=3，AWI=0.55。

圖4 強烈砂化白云巖地質(zhì)強度指標(biāo)GSI定量取值圖Fig.4 Diagram of GSI quantitative values of geological strength index of intensively sandy dolomite

通過RBI和AWI取值，結(jié)合圖4，可以確定出強烈砂化白云巖的GSI為36。

綜上所述，強烈砂化白云巖各參數(shù)取值如表2所示。

表2 強烈砂化白云巖參數(shù)取值Table 2 Parameter values of intensively sandy dolomite

4.2 估算結(jié)果分析

對砂化白云巖的σci、GSI、D、mi確定后，分別運用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則對其巖體參數(shù)進行估算，估算結(jié)果與研究區(qū)強烈砂化白云巖平硐巖體直剪試驗及變形試驗進行對比分析，統(tǒng)計結(jié)果見表3。表中c、φ、En分別為黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量。

表3 強烈砂化白云巖巖體力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of intensively sandy dolomite

圖5是通過Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估算的強烈砂化白云巖黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量與巖體平硐試驗結(jié)果對比。

圖5 強烈砂化白云巖力學(xué)參數(shù)對比Fig.5 Comparison of mechanical parameters of intensively sandy dolomite

通過圖5發(fā)現(xiàn)強烈砂化白云巖黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量估算值與試驗值存在著一定的差異性。通過Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估算的強烈砂化白云巖力學(xué)參數(shù)絕大部分落在試驗值區(qū)間內(nèi)，但其最小值比試驗值略小。存在此差異性的原因在于：

(1)Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估算運用的σci是通過針貫入在地表露頭現(xiàn)場試驗獲取的，與巖體平硐試驗所取巖樣的埋深不一，導(dǎo)致其巖體側(cè)向應(yīng)力存在一定的差異。

(2)巖體平硐試驗的組數(shù)過少，存在一定的偶然性。

基于以上成果，綜合考慮強劇砂化白云巖的巖體結(jié)構(gòu)特征及圍巖級別，結(jié)合巖體力學(xué)參數(shù)取值方法和《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[19]，給出強烈砂化白云巖力學(xué)參數(shù)建議值和單軸抗壓強度建議值：c為0.06～0.41 MPa，φ為23°～34°，En為0.7～2.8 GPa，可為設(shè)計和施工提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場調(diào)查，以針貫入試驗為基礎(chǔ)，基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則對白云巖砂化巖體力學(xué)參數(shù)進行估算，結(jié)果與巖體平硐試驗結(jié)果比較，得出以下結(jié)論：

(1)通過現(xiàn)場針貫入試驗確定強烈砂化白云巖σci為3.00～15.41 MPa?；趶娏疑盎自茙r巖體結(jié)構(gòu)特征，強烈砂化白云巖的GSI定量化確定為36，其擾動系數(shù)為0，mi建議取值為9。

(2)基于Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估算的強烈化白云巖巖體力學(xué)參數(shù)值c為0.06～0.28 MPa，φ為27.64°～29.51°，En為0.77～1.75 GPa。

(3)通過對比分析Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估算的巖體力學(xué)參數(shù)結(jié)果與巖體平硐試驗結(jié)果，表明Hoek-Brown強度準(zhǔn)則在強烈砂化白云巖巖體力學(xué)參數(shù)估算中具有較好的適用性。

(4)根據(jù)Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估算結(jié)果，給出研究區(qū)強烈砂化白云巖巖巖體力學(xué)參數(shù)建議值：c為0.06～0.41 MPa，φ為23°～34°，En為0.7～2.8 GPa。