岩体力学参数确定的方法

岩体力学参数的确定方法

在岩石工程实践中,首先需要了解其研究对象———工程岩体的力学特性,确定其特性参数。力学参数的合理确定在岩石力学的研究和发展过程中始终是难题之一。在应用工程力学领域, 如果原封不动地借用经典理论力学的连续性假设和定义,会出现理解上的毛病。必须考虑假设的合理使用范围和各物理量的适用定义。本文就地下岩体工程根据侧重的点不同对岩体参数的确定方法进行探讨。

一．传统岩体参数的确定方法

地下巷道、硐室开挖后，围岩产生应力重分异作用,径向应力减少,切向应力增加,并且随着工程不断推进,岩体应力状态不断改变。巷道、硐室围岩处于“三高一扰动”条件下,岩体表现的力学特性是破坏条件下的稳定失稳再平衡过程。围岩体处于一种拉压相间出现的复杂应力状态。该类工程岩体的力学参数的确定要进行岩体的卸荷试验研究,且要依据现场工程实际条件进行卸荷条件下的应力、渗流与温度三场耦合试验研究。需要进行循环加卸载条件下的岩体力学特性研究,进而获得岩体的力学参数特征。

确定地下巷道、硐室工程岩体力学参数的方法为:

(1)三轴应力状态下的卸荷三场耦合力学试验,获得有关参数;

(2)进行岩体流变特性试验研究,获得有关岩体的流变参数。

目前在该领域要进行大量的工作,包括设备仪器的研制等,同时还要利用新的计算机技术才会实现。

二．建立力学模型确定岩体力学参数

建立工程岩体力学参数模型主要是解决复杂岩体力学参数确定的问题。要确定复杂岩体的力学参数需要把工程岩体看作具有连续性的模型,运用确定岩体力学参数的新方法,对含层状斜节理的岩体建立力学模型进行力学实验,从而确定了该岩体的各项基本力学参数值。

1．工程岩体力学参数模型

目前对岩石的力学属性及其划分基本有两种观点：一种观点认为岩石本身是一个连续的、没有各向异性的材料,另一种意见认为岩石由多晶体系组成,并存在空洞和裂纹等缺陷,使得岩体本身结构表现出各向异性和不连续性。一般情况下岩体被视为非连续介质,但在一定条件下仍满足连续介质力学的基本假定。因此给定工程岩体的连续性假设:假定整个物体的体积都被组成这个物体的物质微元所充满,没有任何空隙。物质微元是有大小的，物质微元的尺寸决定于所研究的工程物体的尺寸。这样就存在一个用连续体理论来研究非连续体的问题。

2．工程岩体力学参数

为确定工程岩体的力学参数,需要通过井下工程地质调查,根据岩体所含结构面的不同及结构体特性的差异,选取具有代表性的不同尺寸的岩块和结构面,然后进行一系列室内力学实验和数值模拟实验。具体步骤如下:

(1) 通过井下工程调查,确定结构面的空间分布模式,抽象工程岩体结构模型;并在现场采集有代表性的完整岩块和软弱结构面试

样。

(2) 进行室内完整岩块岩石力学实验,得到应力应变全过程曲线,确定岩块σc 等有关力学参数值;然后运用数值分析方法,进行数值

力学试验,重现室内岩块力学实验结果。

(3) 分析序列数值实验结果,确定工程体连续微元尺寸δc 及其对应的工程岩体力学参数。

根据岩石成分和结构面的分布规律,就可以确定某一岩体的结构模型,然后结合室内实验,就可以进行确定其力学参数的模拟实验了。通过数值模拟试验,分别得出了岩体尺寸Δ与单轴抗压强度σc 、弹性模量E、残余强度σRc 、内摩擦角Φ和粘聚力C 的关系曲线,通过关系曲线,可知岩体连续微元尺寸Δc的值。同时,可得出灰岩岩体的各项基本力学参数值:σc 、E 。

3．结论

通过野井下实地调查，采集试样，对岩体进行数值力学实验，以确定其各项基本力学参数值。这种方法也完全可以应用到其他类型的含复杂结构面岩体可以有效的推广。

三．分析节理用数值方法确定岩体力学参数

节理岩体中含有大量不同尺寸、不同分布的结构面,其力学性质与结构面的密度、分布形式又密切相关。现就岩体的节理进行分析，确定力学参数。

1．节理岩体的强度

目前最简单而且使用最广泛的摩尔—库仑屈服准则

(Coulomb ,1773) ,其表达式为:τ = c+σtanφ

由于现场实测费用很高,岩体力学参数的取值往往以岩块的试验结果为基础,经工程弱化处理来求得。目前,岩石力学参数工程弱化的方法有费辛科(ΦuceHko) 法,M. Georigi 法、节理岩体的CSIR 工程地质分类法、E. Hoek 法和经验析减法等。

2．岩体的变形特性

岩体的应力应变关系一般是非线性的而且与围压有关,节理岩体的变形模量值与节理密度J n ,节理与最大主应力的夹角β以及节理强度有关,通过对实验数据的统计分析处理,可以得出一个经验公式为:

Er =Ej/Ei= exp (-a ×J f )

式中：Er —弹性模量比

Ei —岩块的切线弹性模量

Ej —节理岩体的弹性模量

a —从实验曲线得出的参数,可以由表1确定

J f—节理系数,与节理密度、节理的角度以及节理的粗糙度有关

Ramanurthy 也提出了在不同围压条件下节理岩体的弹性模量值,其计算公式为:

Ejo / Ej = 1 - exp[-0.1(σci/σ3)]

σcr =σcj /σci =exp (-0. 008J f )

式中Ejo ———节理岩体在无围压的弹性模量

Ej ———节理岩体的弹性模量

σcj ———无围压时的单轴抗压强度

σ3 ———围压

σci ———岩块的单轴抗压强度

J f———节理系数

3．结语

(1) 节理岩体的结构面是否单独选用节理单元,应该按不同结构的大小、形式、作用来分析选择。

(2) 当节理岩体采用等效连续模型时,其力学参数的选择应该考虑节理中结构面的分布、围压的大小以及尺寸效应。而且应按不同的条件选用不同的屈服模型。

四．结论

岩体力学参数其取值方法很多，本文只是介绍了其中一部分，无论是传统的确定方法还是建立力学模型再或是分析岩石的节理情况，都不能准确的获得岩石的力学参数。具体岩体力学参数的确定应该视实际情况而定，确定方法不是固定不变的。不同的方法结果就可能造成力学参数相差较远，为了能更好的应用到实际中，需要对所求得的岩石力学参数加以校验。借助数学方法对测试数据进行可靠性检验,是工程技术中合理选取参数的需要。

随着科技的发展，对于岩石力学参数的确定将会有进一步的发展，这就需要我们在深入工程现场，掌握一手资料的同时积极探索更为合理的和科学的解决方法。