Hoek-Brown强度准则.doc

第四章 基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数估算4.1 岩体结构精细描述4.1.1 试验洞概况1#试验洞桩号里程为AK12+567m，主洞深度约57m，在深度约28m处向东平行于辅助洞开挖试验支洞，支洞深度约30m。在支洞深度约18m的位置为T2y6/T2b地层分界。盐塘组第六段(T2y6)的主要岩性为：灰-灰黑色泥质灰岩夹深灰色大理岩，泥质灰岩呈极薄层-中厚层状，主要矿物为方解石、石英、云母、炭、泥质和少量黄铁矿，镜下具泥质微粒结构。常见泥质条带与灰岩互层出现；所夹大理岩细晶致密，常呈厚层状出露。2#试验洞桩号里程为AK08+850m，主洞深度约80m，在深度约25m处向东平行于辅助洞开挖试验支洞，支洞深度约30m。在主洞末端向西开挖试验支洞，支洞深度约20m，整个试验洞和支洞位于T2b地层中。白山组(T2b)岩性主要为灰-灰白色致密厚层块状大理岩。3#试验洞桩号里程为AK08+950m，主洞深度约60m，在深度约25m处向西平行于辅助洞开挖试验支洞，支洞深度约30m，作为开挖变形监测支洞，并延伸后为暗物质实验室。在主洞末端向西开挖试验支洞，支洞深度约20m，整个试验洞和支洞位于T2b地层中。岩性主要为厚层状大理岩，有时略带紫色或白色，细晶致密。4#验洞桩号里程为AK04+850m，主洞深度约50m，位于T3地层中。地层岩性主要为灰黑色板岩夹青灰色粉砂岩，层理明显，薄层状，并偶夹薄层泥灰岩。 汪斌，李维树，范雷等.锦屏二级水电站引水隧洞高地应力条件下的岩体力学参数研究阶段成果报告，长江科学院岩基室，2010，108109.4.1.2 结构面描述统计采用精测线法分别对1#至4#试验洞洞壁进行结构面统计描述。通过对实测结构面进行室内统计分析后，得到结构面走向玫瑰花图，根据赤平投影原理得到结构面等密度图65-68，见图4.1-4.4。图4.1 测线1结构面等密度图及走向玫瑰花图图4.2 测线2结构面等密度图及走向玫瑰花图图4.3 测线3结构面等密度图及走向玫瑰花图 图4.4 测线4结构面等密度图及走向玫瑰花图根据结构面走向玫瑰花图与等密度图，可以得知每条测线上结构面的优势分组，各组结构面优势产状如表4.1所示，结构面几何特征如表4.2。由于3#试验支洞优势三、四、五组所包含结构面数量较少，其统计特征不明显。表4.1 结构面优势产状均值及范围列表试验洞编号岩性分组倾向/倾角/倾向范围/倾角范围/1#试验支洞大理岩优势一组906248-12541-88优势二组30770270-31856-87优势三组34156321-1941-852#试验支洞大理岩优势一组24624-4745-81优势二组20248187-24333-88优势三组27865253-28856-813#试验支洞大理岩优势一组277312-3749-90优势二组617138-7443-86优势三组14154124-15239-67优势四组16366153-17157-78优势五组20060187-21449-734#试验支洞砂板岩优势一组22547-3733-81优势二组557240-7358-90优势三组18157167-19035-81优势四组21071195-25148-90表4.2 结构面几何特征概率模型参数表试验洞编号岩性分组几何特征分布规律参数1参数2均值标准差1#试验支洞1#试验支洞大理岩大理岩优势一组倾向正态分布89.5813.4389.5813.43倾角正态分布70.777.3670.777.36半迹长负指数分布0.60/1.660.65间距负指数分布3.70/0.270.54优势二组倾向正态分布301.0511.53301.0511.53倾角正态分布78.057.2578.057.25半迹长负指数分布0.56/1.780.56间距负指数分布2.56/0.390.93优势三组倾向正态分布349.6812.05349.6812.05倾角正态分布61.639.2561.639.25半迹长负指数分布0.82/1.220.72间距负指数分布1.19/0.841.332#试验支洞大理岩优势一组倾向正态分布22.586.6122.586.61倾角正态分布69.713.9669.713.96半迹长负指数分布0.50/2.000.00间距负指数分布2.94/0.340.63优势二组倾向正态分布222.4226.65222.4226.65倾角正态分布65.0811.1165.0811.11半迹长负指数分布1.67/0.600.69间距负指数分布1.09/0.921.41优势三组倾向正态分布269.339.67269.339.67倾角正态分布80.330.5280.330.52半迹长负指数分布2.00/0.500.26间距负指数分布1.18/0.850.913#试验支洞大理岩优势一组倾向正态分布26.295.6926.295.69倾角正态分布81.207.7681.207.76半迹长负指数分布0.58/1.730.51间距负指数分布1.52/0.661.35优势二组倾向正态分布52.3610.6952.3610.69倾角正态分布70.8910.6970.8910.69半迹长负指数分布0.74/1.360.80间距负指数分布2.00/0.500.864#试验支洞4#试验支洞砂板岩砂板岩优势一组倾向正态分布22.556.3622.556.36倾角正态分布60.4010.3060.4010.30半迹长负指数分布0.87/1.150.61间距负指数分布1.09/0.921.06优势二组倾向正态分布53.967.2053.967.20倾角正态分布74.6713.4874.6713.48半迹长负指数分布1.33/0.750.53间距负指数分布1.37/0.731.08优势三组倾向正态分布180.064.88180.064.88倾角正态分布64.7510.2664.7510.26半迹长负指数分布1.05/0.950.48间距负指数分布1.35/0.740.83优势四组倾向正态分布213.4510.66213.4510.66倾角正态分布75.078.8075.078.80半迹长负指数分布1.14/0.880.66间距负指数分布2.00/0.500.694.2 洞室围岩地质强度指标（GSI）分类GSI方法体系是E. Hoek多年来与世界各地与之合作的地质工作者共同研究发展起来的一种方法，它根据岩体结构、岩体中岩块的嵌锁状态和岩体中不连续面质量，综合各种地质信息进行估值。GSI指标是基于岩体的岩性、结构类型和结构面条件等因素，通过对揭露的岩体进行肉眼观察评价，综合考虑两个基本因素，即岩体结构类型与结构面特征对工程岩体进行分类。GSI的量化指标包括岩体结构等级SR(Structure Ratings)和结构面表面特征等级SCR(Surface Condition Ratings)，通过表4.3确定岩体地质强度GSI值69-74。表4.3 GSI分类量化表岩体结构等级SR值是利用体积节理数JV，通过半对数图(见图4.5)进行取值。JV是指单位体积岩体内所交切的节理总数，是国际岩石力学委员会（ISRM）推荐用来定量评价岩体节理化程度和单位岩体块度的一个指标。图4.5 岩体结构等级取值半对数图岩体结构等级取值SR=-54.44lgJV+101.53 (4-1)体积节理数JV可用下面的公式表 (4-2)式中，N为沿某一测线的节理数；L为测线的长度(m)；S为某一组节理的间距(m)； n为节理的组数；Nx，Ny，Nz分别为沿相互垂直方向测线上的节理数；Lx，Ly，Lz分别为沿相互垂直方向测线的长度。结构面表面特征等级SCR的取值主要考虑结构面的粗糙度Rr (Roughness Ratings)、风化程度Rw(Weathering Ratings)及充填物状况Rf (Infilling Ratings)，并按下式取值：SCR=Rr+Rw+Rf (4-3)式中，Rr，Rw ，Rf 的取值标准见表4.4。表4.4 岩体结构面特征等级取值表组成要素SCR=Rr+Rw+Rf粗糙程度Rr非常粗糙粗糙稍粗糙光滑镜面光滑65310风化程度Rw未风化微风化中风化强风化全风化65310充填程度Rf闭合无充填隙宽5mm，充填密实隙宽5mm，充填松散642204.3 Hoek-Brown强度准则1980年，EHoek和ETBrown在分析Griffith理论和修正的Griffith理论的基础上，通过对大量岩石三轴试验资料和岩体现场试验成果的统计分析，用试错法导出了岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系式(4-4)，即为Hoek-Brown强度准则，也称为狭义Hoek-Brown强度准则： (4-4)式中，1、3岩体破坏时的最大、最小主应力(MPa)；c为岩块单轴抗压强度(MPa)；m、s为经验参数。m反映岩石的软硬程度，其取值范围在0.0000001-25之间，对严重扰动岩体取0.0000001，完整坚硬岩体取25；s反映岩体破碎程度，其取值范围在0-1之间，破碎岩体取0，完整岩体取1。Hoek-Brown强度准则尽可能的反映了岩块强度、结构面组数、所处应力状态对岩体强度的影响等。1992年，E.Hoek针对1980年提出的强度准则的不足，提出了狭义Hoek-Brown经验强度准则的修正形式，称为广义Hoek-Brown经验强度准则75-79，其表达式为： (4-5)式中，mb为经验参数m的值；a为与岩体特征有关的常数。对质量好的岩体，由于岩石颗粒紧密嵌固，因而其强度特性主要由岩石颗粒强度所控制，此时，狭义Hoek-Brown经验强度准则较适合，可取a0.5；对质量较差的岩体，由于剪切作用或风化作用使岩体碎块间的嵌固松散，导致岩体抗拉强度丧失，即粘聚力C0，若无围压限制，岩体将塌落。对此类岩体修正后的广义Hoek-Brown经验强度准则较适合。4.4 基于Hoek-Brown准则的岩体力学参数估算对不含结构面的完整岩体，可视为各向同性的均质岩体，在确定经验参数s，a，mi，mb，岩体GSI值，扰动程度D和岩块单轴抗压强度ci后，可以按以下方法确定岩体的变形模量和抗剪强度80-84。主要步骤如下：（1） 根据现场工程地质描述统计，确定岩体地质强度指标GSI值以及岩体扰动程度D值。其中GSI值确定详见表4.3岩体GSI分类，D值可根据表4.5确定。表4.5 岩体扰动程度建议值岩体描述扰动程度D建议值质量极好的爆破或镗床开挖；破碎岩体手工或机械开挖，扰动极小0破碎岩体挤压地板鼓起0.5边坡小规模爆破，并产生一定破坏，爆破质量好；大型矿山边坡，机械开挖0.7坚硬岩石爆破质量差，产生局部破坏达2-3m0.8边坡小规模爆破，并产生一定破坏，爆破质量差；大型矿山边坡，因爆破或过度应力释放产生强烈扰动1.0（2） 根据下式确定经验参数s、a。 (4-6) (4-7) （3） 根据室内试验确定岩块抗压强度ci，查表取得完整岩块经验参数值mi，根据下式计算mb： (4-8)此时，Hoek-Brown强度准则中的ci，mi，s，a等参数均已确定，并可进行岩体力学参数估算。（4） 岩体变形模量估算： (4-9)（5） 岩体抗剪强度参数估算： (4-10) (4-11)式4-10和4-11中，3n为可转换范围，其计算式为： (4-12) (4-13)其中cm为岩体整体强度： (4-14)4.5 岩体力学参数估算成果通过对现场地质调查获得的结构面进行统计分析，可以得到岩体地质强度评分值GSI（见表4.6）和岩体扰动系数D，利用室内试验获得的岩体单轴抗压强度ci，按照4.4节的计算步骤可以得到岩体的力学参数（见表4.7、表4.8）。表4.6 GSI分类指标取值位置扰动情况节理数N测线长度LJVSRRrRwRfSCRGSI1#试验洞表层扰动19029.606.4257.6152846深层未扰动16613582#试验洞表层扰动6510.776.0459.05621361深层未扰动56617723#试验洞表层扰动12824.105.3162.05621362深层未扰动56617734#试验洞表层扰动13621.406.3657.85521257深层未扰动5661770 表4.7 岩体力学参数经验估算值位置扰动情况经验参数GSI扰动系数D单轴抗压强度MPa粘聚力MPa内摩擦角samimb1#试验洞表层扰动0.00170.505101.017520.5109.04.7226.0深层未扰动0.00750.504102.077560109.06.3131.62#试验洞表层扰动0.00480.503101.489600.5109.05.6028.9深层未扰动0.02050.502102.865650109.07.4234.13#试验洞表层扰动0.00630.502101.637620.5113.05.9430.0深层未扰动0.02560.502103.077670113.07.8535.04#试验洞表层扰动0.00320.504101.290570.5111.05.2928.0深层未扰动0.01830.502102.765640111.07.3434.0表4.8 岩体力学参数估算值4.6 成果综合分析通过前述的研究分析，各种方法获得的大理岩岩体（岩石）的强度参数粘聚力C和摩擦系数f见表4.9。表4.9 不同方法获得的大理岩岩体（岩石）强度参数试样结构面岩体岩体岩体岩块岩块岩块途径直剪H-B准则三轴直剪三轴三轴三轴加载方式加载/卸载加载加载峰前卸载峰后卸载粘聚力C MPa1.847.4210.432.7942.6522.6420.70摩擦系数f0.380.681.051.260.881.010.91综合分析成果表明： 不同应力路径下的岩石强度及强度参数不同，常规三轴加载试验峰前卸载破坏试验峰后卸载破坏试验。 高应力条件岩体强度参数与常规应力条件有明显的不同。不但强度参数大小不同，强度参数特性也不一样，岩体强度在高压条件下呈现明显的非线性特征。 现场岩体三轴卸载试验结果表明：在应力水平不高时（正应力25MPa），Hoek-Brown强度准则显得更为合理。 岩体试样受力状态对岩体强度参数具有较大的影响。现场岩体三轴卸载试验处于三向受力状态，岩体直剪试验处于二向受力状态。现场岩体三轴卸载试验获得的岩体摩擦系数与岩体直剪试验获得的岩体摩擦系数差异不大，但三轴试验获得的岩体粘聚力要明显高于直剪试验获得的岩体粘聚力。 岩体强度与试验时试样尺寸有关系，存在尺寸效应。岩块三轴试验、岩体三轴卸载试验和通过Hoek-Brown强度准则估算岩体强度参数的结果表明，随着岩体尺寸的增加，摩擦系数及粘聚力总的来说具有逐渐减小的趋势。第五章 结论与展望5.1 主要结论通过开展不同应力路径下的岩石加卸载室内试验、现场岩体及结构面直剪和岩体真三轴试验，利用Hoek-Brown强度准则进行岩体强度参数估算，获得了不同的岩体强度参数，对高应力条件下的深埋岩体的强度特性有了一定的认识，得到的主要结论如下： 各种应力路径下的岩石强度均具有围压效应。即围压对岩样的轴向承载力有较大的影响，以峰前卸围压最为敏感，峰后卸围压次之，常规三轴加载最不敏感。 不同应力路径下的岩石强度及强度参数不同，常规三轴加载试验峰前卸载破坏试验峰后卸载破坏试验。 结构面直剪试验表明峰值抗剪强度与正应力在高压下呈现很明显的非线性线关系，并且对于同一性状的结构面而言，随着法向压力增加，其摩擦系数降低而粘聚力增加。 高应力条件岩体强度参数与常规应力条件有明显的不同。不但强度参数大小不同，强度参数特性也不一样，岩体强度在高压条件下呈现明显的非线性特征。 现场岩体三轴卸载试验结果表明：在应力水平不高时（正应力25MPa），Hoek-Brown强度准则显得更为合理。 岩体试样受力状态对岩体强度参数具有较大的影响。现场岩体三轴卸载试验处于三向受力状态，岩体直剪试验处于二向受力状态。现场岩体三轴卸载试验获得的岩体摩擦系数与岩体直剪试验获得的岩体摩擦系数差异不大，但三轴试验获得的岩体粘聚力要明显高于直剪试验获得的岩体粘聚力。 岩体强度与试验时试样尺寸有关系，存在尺寸效应。岩块三轴试验、岩体三轴卸载试验和通过Hoek-Brown强度准则估算岩体强度参数的结果表明，随着岩体尺寸的增加，摩擦系数及粘聚力总的来说具有逐渐减小的趋势。5.2 展望通过采用多种手段对高应力条件下岩体强度参数进行研究，取得了一些初步认识。但由于作者理论水平和研究时间有限，而且高应力条件下的岩体强度参数研究时间不长，对高地应力条件下的岩体强度参数的研究不够广泛和深入，下阶段将对以下几个方面进行进一步的研究：（1）现场真三轴试验数据偏少且较离散，分析也不够深入，如何结合室内岩块试验研究岩体强度参数，需要进行进一步的分析研究工作。（2）运用Hoek-Brown强度准则对岩体强度参数的估算，其准确性与研究人员的经验有很大关系；Hoek-Brown强度准则对高应力条件下岩体强度参数评估的适应性，有待于进一步的研究。（3）不同的方法获取的岩体强度参数具有差异，需要分析出原因，研究它们之间的联系。参考文献【1】 古德生.金属矿床深部开采中的科学问题.科学前沿与未来C.第175次香山科学会议，北京，2001-11.中国环境科学出版社，2002.192-201.【2】 冯夏庭.深部大型地下工程开采与利用中的几个关键岩石力学问题C. 科学前沿与未来，第175次香山科学会议，北京，2001-11.中国环境科学出版社，2002.202-211.【3】 何满潮.深部开采工程岩石力学现状及其展望C.第八次全国岩石力学与工程学术大会论集.【4】 周火明,孔祥辉.水利水电工程岩石力学参数取值问题与对策J.长江科学院报,2006,23(4).【5】 周火明，盛谦，熊诗湖.复杂岩体力学参数取值研究J.岩石力学与工程学报，2002，21（增刊）：2045-2048.【6】 陶振宇，潘别桐.岩石力学原理与方法M.武汉：中国地质大学出版社，1991.【7】 Oda M A.Method for Evaluating the Representative Elementary Volume Based on Joint Survey of RockmassJ.Can.Geotech.1988,25(3):281-287.【8】 Ramamurth T. 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