浅述节理岩体强度参数的确定方法
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岩体抗剪强度参数的确定可采用经验方法，宋建波 （2 00 0 ）[1 0]提出了基于H oek - Br own 经验强度准则确定均质 岩基抗剪强度参数的方法，工程类比的方法也可用来选取岩 体抗剪强度的计算参数[11 ]，通过对岩体类型进行划分，在充 分利用有限试验资料，直接或利用公式间接确定计算参数的 基础上，对工程性质相似的结构面或工程岩体，根据现场试 验资料采用定量类比的方法进行参数取值。
收稿日期：2 01 1- 0 7- 07 作者简介：张 澍，中交第二航务工程勘察设计院有限公司。
232
中 国水 运
Hale Waihona Puke Baidu
第 11 卷
无论利用现场试验还是室内试验确定岩体强度参数，尺 寸效应的影响不容忽视。孙广忠（1 98 8 ）[1 6]认为，尺寸效应 在岩体抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、弹性模量和结构面 抗剪强度特征中均有所体现。因此，岩体表征单元体积（RE V）的 概念被提出，周创兵（199 9）[17]对其进行了研究：提出R EV 的力学描述；据中心极限定理推导了估算裂隙岩体R EV的数 学表达式，归纳总结并提出了岩体R EV的3 种确定方法－能 量叠加法、地质统计法、数值模拟法；讨论了岩体R EV与岩 体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系；提出了岩体力 学参数“5 S ”相关性和岩体力学参数场的概念和分析方法。
第 11 卷 第 10 期 2011 年 10 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11 Oc t obe r
No. 10 2011
浅述节理岩体强度参数的确定方法
张 澍，赵小波
（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）
摘 要：岩体的强度特征是岩石力学与工程中首 先应该考虑的最为重要的性质，由于岩体结构的复杂性，节理岩体
的强度参数的确定一直困扰岩石力学与工程界的一大难 题，文中在查阅大量国内外文献的基础上，对国内外岩体强
度参数的确定方法进行了全面论述，从理论研究、经验 方法、试验方法、数值模拟、反分析与其他方法六个方面总
结了岩体强度参数的确定方法，并提出了各种方法的不足之处。
关键词：节理岩体；强度参数；理论；经验；试验；数值模拟；反分析
关键是确定经验参数m ，s的值：E .Hoe k （19 8 0） [4-5 ]在提 出Ho ek -B r own 强度准则之初，建议了岩体经验参数m ，s 的值，后（1 9 88 ）又提出了修正后的m ，s 值[6]；B ien ia ws k i （1 97 4 ）提出了C S IR 岩体分类法，P r ies t和B r own（19 83） [7]首次将RMR指标与m ，s联系起来，并给出二者之间的统计关系， E．Hoek（1988）[8 ]对其略作修改，得到了目前广为应用的 经验公式，Bie n ia wsk i（1 97 6 ）[4]建立了RM R指标与Q指标 之间的关系，进而也可以用Q指标估计m ，s的值；挪威学者 P a lm s tr om （19 96 ）提出R MI岩体分类方法，引入节理状 态参数（J P），并给出未扰动岩体和扰动岩体的m ，s与J P 的关系表达式。宋建波（2 00 2 ）[9 ]提出了经验参数m ，s对岩 体强度的影响。
中图分类号：TU452
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）10- 0231- 03
一、引言 节理岩体强度参数的确定在岩土工程稳定性评价中起着 至关重要的作用，工程岩体是一种具有地质结构面的复杂地 质体，其强度特征由于不规则结构面的存在而呈现不均匀和 各向异性，节理之间的相互作用又使得岩体的破坏机制十分 复杂。因此，岩体强度参数的确定问题一直是岩石力学与工 程界的一大难题。国内外很多学者对岩体强度参数进行研究， 在查阅大量相关文献的基础上，本文对节理岩体强度参数的 确定方法进行综述。 二、理论研究 理论研究方法主要是在理论强度准则的基础上发展起来 的，这类方法是基于材料力学、弹塑性力学的知识体系，通 过严谨的数学方法推导得出。经典强度理论能基本反映岩石 的强度特性，目前仍然是相关工程设计的重要依据，是计算 机仿真模拟与有限元分析的重要理论依据。其中应用最广且 理论最完善的是Moh r －C ou lom b 强度理论，在此理论的基 础上，节理岩体的强度得到很多学者的重视：J a e ge r（1 96 0 ） [1]对含一组结构面的各向异性岩体，提出了著名的“单弱面 理论”；对于含有二组或二组以上的结构面，岩体强度的确 定方法是分步应用单结构面理论；Hoe k －Br own （1 98 6） [2]认为，含4 组以上性质相近结构面的岩体，按各向同性岩体 处理是合理的。 理论研究方法的不足之处在于：① 现行的理论强度准则 均有一定的适用范围和应用条件，不能推广到某一特定应力 条件以外；② 假定岩石材料为连续介质，不能解释岩石强度 的离散性、随机性等特点以及岩石强度特征与岩石组织结构 间的问题[3]。 三、经验方法 经验方法主要包括以经验强度准则为基础的岩体强度参 数确定方法、工程岩体分类法以及工程类比法等。 经验强度准则是以试验为主要研究手段、近似描述岩体 破坏机理的破坏判据，比较著名的是B ie n ia ws ki于19 7 4年 提出的经验强度准则，和E . Ho ek 、E. T. B r own 于19 8 0年 提出的经验强度准则。应用经验强度准则求解岩体强度问题，
经验方法确定岩体强度参数在工程实际中应用最为广 泛，它能综合考虑影响节理岩体强度的各种因素，是在长期 工程实践的基础上逐渐积累总结的成果，其不足之处在于： 强度参数取值较为随意，用不同方法确定的参数相差较大。
四、试验方法 现场试验是确定岩体强度参数最准确的方法，但由于通 常不具备进行原位试验的条件，所以这种方法应用较少。那 么为了研究节理岩体变形破坏规律及力学效应，通常在室内 采用相似材料进行试验，朱维申（1 99 5 ）[1 2]、Z. Y. Ya n g （1 99 8 ）[1 3]、Ku la t ila k e（2 00 1 ）[1 4]等人对其进行了研究。 但由于相似材料模型与真实节理岩体差别较大，C .I.Mc De r m ot[15 ]对无扰动节理裂隙岩样的获取进行研究并取得一定的 成果，通常认为含天然节理岩石块体的试验更能逼近真实节 理岩体的破坏模式及力学特性，即使是人工节理的岩石样品 试验也可能要好于相似材料的物理模拟的效果[3]。
收稿日期：2 01 1- 0 7- 07 作者简介：张 澍，中交第二航务工程勘察设计院有限公司。
232
中 国水 运
Hale Waihona Puke Baidu
第 11 卷
无论利用现场试验还是室内试验确定岩体强度参数，尺 寸效应的影响不容忽视。孙广忠（1 98 8 ）[1 6]认为，尺寸效应 在岩体抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、弹性模量和结构面 抗剪强度特征中均有所体现。因此，岩体表征单元体积（RE V）的 概念被提出，周创兵（199 9）[17]对其进行了研究：提出R EV 的力学描述；据中心极限定理推导了估算裂隙岩体R EV的数 学表达式，归纳总结并提出了岩体R EV的3 种确定方法－能 量叠加法、地质统计法、数值模拟法；讨论了岩体R EV与岩 体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系；提出了岩体力 学参数“5 S ”相关性和岩体力学参数场的概念和分析方法。
第 11 卷 第 10 期 2011 年 10 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11 Oc t obe r
No. 10 2011
浅述节理岩体强度参数的确定方法
张 澍，赵小波
（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）
摘 要：岩体的强度特征是岩石力学与工程中首 先应该考虑的最为重要的性质，由于岩体结构的复杂性，节理岩体
的强度参数的确定一直困扰岩石力学与工程界的一大难 题，文中在查阅大量国内外文献的基础上，对国内外岩体强
度参数的确定方法进行了全面论述，从理论研究、经验 方法、试验方法、数值模拟、反分析与其他方法六个方面总
结了岩体强度参数的确定方法，并提出了各种方法的不足之处。
关键词：节理岩体；强度参数；理论；经验；试验；数值模拟；反分析
关键是确定经验参数m ，s的值：E .Hoe k （19 8 0） [4-5 ]在提 出Ho ek -B r own 强度准则之初，建议了岩体经验参数m ，s 的值，后（1 9 88 ）又提出了修正后的m ，s 值[6]；B ien ia ws k i （1 97 4 ）提出了C S IR 岩体分类法，P r ies t和B r own（19 83） [7]首次将RMR指标与m ，s联系起来，并给出二者之间的统计关系， E．Hoek（1988）[8 ]对其略作修改，得到了目前广为应用的 经验公式，Bie n ia wsk i（1 97 6 ）[4]建立了RM R指标与Q指标 之间的关系，进而也可以用Q指标估计m ，s的值；挪威学者 P a lm s tr om （19 96 ）提出R MI岩体分类方法，引入节理状 态参数（J P），并给出未扰动岩体和扰动岩体的m ，s与J P 的关系表达式。宋建波（2 00 2 ）[9 ]提出了经验参数m ，s对岩 体强度的影响。
中图分类号：TU452
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）10- 0231- 03
一、引言 节理岩体强度参数的确定在岩土工程稳定性评价中起着 至关重要的作用，工程岩体是一种具有地质结构面的复杂地 质体，其强度特征由于不规则结构面的存在而呈现不均匀和 各向异性，节理之间的相互作用又使得岩体的破坏机制十分 复杂。因此，岩体强度参数的确定问题一直是岩石力学与工 程界的一大难题。国内外很多学者对岩体强度参数进行研究， 在查阅大量相关文献的基础上，本文对节理岩体强度参数的 确定方法进行综述。 二、理论研究 理论研究方法主要是在理论强度准则的基础上发展起来 的，这类方法是基于材料力学、弹塑性力学的知识体系，通 过严谨的数学方法推导得出。经典强度理论能基本反映岩石 的强度特性，目前仍然是相关工程设计的重要依据，是计算 机仿真模拟与有限元分析的重要理论依据。其中应用最广且 理论最完善的是Moh r －C ou lom b 强度理论，在此理论的基 础上，节理岩体的强度得到很多学者的重视：J a e ge r（1 96 0 ） [1]对含一组结构面的各向异性岩体，提出了著名的“单弱面 理论”；对于含有二组或二组以上的结构面，岩体强度的确 定方法是分步应用单结构面理论；Hoe k －Br own （1 98 6） [2]认为，含4 组以上性质相近结构面的岩体，按各向同性岩体 处理是合理的。 理论研究方法的不足之处在于：① 现行的理论强度准则 均有一定的适用范围和应用条件，不能推广到某一特定应力 条件以外；② 假定岩石材料为连续介质，不能解释岩石强度 的离散性、随机性等特点以及岩石强度特征与岩石组织结构 间的问题[3]。 三、经验方法 经验方法主要包括以经验强度准则为基础的岩体强度参 数确定方法、工程岩体分类法以及工程类比法等。 经验强度准则是以试验为主要研究手段、近似描述岩体 破坏机理的破坏判据，比较著名的是B ie n ia ws ki于19 7 4年 提出的经验强度准则，和E . Ho ek 、E. T. B r own 于19 8 0年 提出的经验强度准则。应用经验强度准则求解岩体强度问题，
经验方法确定岩体强度参数在工程实际中应用最为广 泛，它能综合考虑影响节理岩体强度的各种因素，是在长期 工程实践的基础上逐渐积累总结的成果，其不足之处在于： 强度参数取值较为随意，用不同方法确定的参数相差较大。
四、试验方法 现场试验是确定岩体强度参数最准确的方法，但由于通 常不具备进行原位试验的条件，所以这种方法应用较少。那 么为了研究节理岩体变形破坏规律及力学效应，通常在室内 采用相似材料进行试验，朱维申（1 99 5 ）[1 2]、Z. Y. Ya n g （1 99 8 ）[1 3]、Ku la t ila k e（2 00 1 ）[1 4]等人对其进行了研究。 但由于相似材料模型与真实节理岩体差别较大，C .I.Mc De r m ot[15 ]对无扰动节理裂隙岩样的获取进行研究并取得一定的 成果，通常认为含天然节理岩石块体的试验更能逼近真实节 理岩体的破坏模式及力学特性，即使是人工节理的岩石样品 试验也可能要好于相似材料的物理模拟的效果[3]。