岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述

岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述

摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用Hoek–Brown准则求解工程岩体强度。并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，

关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；

岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。

1 结构面的力学性质

岩体结构面(Structural Plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。

1.1 结构面抗剪强度

结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内测定。对于起伏较大的粗糙结构面，按Barton公式计算时，JRC值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(ISRM 轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。如Barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线JRC值和分维值D的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数JRC和JRC尺寸效应的特征。

1.2 结构面的变形

关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。

以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，Desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。

结合单元法、节理单元法和薄层单元法都是在连续介质的有限元法框架内，

引入特殊的界面单元或简单的力学元件以试图反映不连续性．三种方法作为解决不连续变形问题的第一步突破，且便于实施，在工程中得到了较为广泛的应用．

为了突破连续介质计算模型的框架，第二类模型近年来获得了快速发展，并已在固体力学、岩土力学、散体运输、材料、矿冶等多学科中引起广泛关注，其中比较有代表性的方法有离散单元法、刚体一弹簧元模型、非连续变形分析模型等。

2 岩体强度特性的研究

2.1 岩体的强度准则

岩体强度准则的研究已有数十年的历史，到目前为止提出过各种各样的岩体强度准则，但它们大都有一定的适用范围。强度准则可分为：一类是以力学为基础,通过严谨的数学方法推导得出,称之为―理论强度准则‖；一类是以试验为主要研究手段,近似描述岩体的破坏机理,称之为―经验强度准则‖。

2.1.1理论强度准则

目前应用于岩石的理论强度准则比较多,如Mohr - Coulomb 准则、Drucker - Prager 准则等。Mohr—Coulomb强度准则虽然表达式简单、便于工程应用，但却不能描述其中的中间主应力效应和区间效应问题。鉴于上述原因，又有许多其他类型的强度准则相继被提出，如双剪类准则、三剪类准则等，其中，俞茂宏提出的双剪统一系列强度准则无论在对岩士类介质的强度特征和本构关系的描述上，还是在强度理论体系的完备性上均有较大突破，目前已形成了较为完整和系统的双剪强度理论体系。

节理裂隙岩体的强度研究很早就引起了国内外岩石力学界的普遍重视,Jaeger (1960) 对含一组结构面的各向异性岩体,假定岩块与结构面的破坏都满足经典的线性Mohr - Coulomb 准则,得到含单一结构面岩体的破坏特征是受结构面的方位控制的结论,并推导出相应的理论公式,提出了著名的―单弱面理论‖。

2.1.2 经验强度理论

节理岩体是一个复杂系统,其强度的确定需综合考虑岩体结构、岩块强度、节理状况及赋存环境等诸多因素。因此,应用理论强度准则去揭示复杂节理岩体的强度特性有时变得不现实,那么如何正确预测岩体的强度成为岩石工程建设中必须面临的一个关键问题。Kalamaras提出了一个依据RMR 岩体分类指标,估算折减系数的经验公式；ArildPalmstrom 指出节理岩体的强度主要受岩体中结构面的蚀变程度、粗糙度、连续性好坏以及岩块平均体积大小的影响,并用一个节理状态参数(JP) 定量地表示这种影响程度；1980年E·Hoek和E·T-Brown提出了国际著名的狭义的Hoek—Brown经验强度准则，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经验强度准则的修改式—广义Hoek—Brown经验强度准则，并且给出了各类岩体经验参数值。Hoek—Brown

经验强度准则在提出后短短的20年内，通过弥补Mohr—Coulomb 强度准则的不足，正视岩体的固有特点和非线性破坏特征，而成为岩体力学中重要的强度理论。目前，Hoek—Brown经验强度准则已在国内外地质工程和岩土工程领域得到广泛应用。

2.2 工程岩体强度确定方法

2.2.1 经验类比法

该方法主要是根据现场工程地质条件和室内力学实验结果，结合大量相关已建工程实例综合确定岩体强度的一种方法。

2.2.2 岩体质量评分体系方法

该方法是根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评分，在此基础上，运用Hoek–Brown 准则求解工程岩体强度的一种方法。对于地面开挖工程，几乎所有的分析方法都离不开对岩体强度和变形进行可靠的评价。Hoek-Brown根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，1973 年Bieniawski 在考虑影响岩体质量的 5 个因素的基础上提出岩体质量分类的RMR[1]体系，1988年Hoek 和Brown 给出了岩石材料系数与RMR 指标之间的修正关系，并提出反算岩体综合抗剪强度的经验公式。Hoek 和Brown 认为，当岩体具有 4 组或更多组节理面时，可根据对岩体质量综合、定量的评分来确定岩体的抗剪强度指标。

2.2.3 连通率方法

存在于自然界中的岩体，通常都包含有大量呈随机分布的节理面。当岩体受剪破坏时，滑裂面一部分通过这些节理面，一部分通过这些节理面之间的完整岩石通称―岩桥‖，确定由节理和岩桥共同提供的岩体综合抗剪强度，始终是工程界广泛关注的问题。与这个问题密切相关的，就是确定节理岩体连通率的问题。由于岩体中节理面的分布情况极为复杂，早期的研究认为确定连通率几乎是不可能的。现阶段，工程界普遍采用的方法是根据平洞露头面上节理的出露状况或编录资料，采用简单的几何投影方法来确定，没有真正考虑节理岩体复杂的结构形态以及岩桥和节理组合破坏的内在机制。近年来，随着计算机科学的发展，在岩石力学领域内，逐渐形成了一门应用蒙特卡洛法产生节理岩体的模拟网络图像，进而在此模拟网络上研究其力学特性的学科，为合理的确定节理岩体的连通率以及估算节理岩体的综合抗剪强度提供了有力的工具，将逐步逼近该信息的真实值。

参考文献

[1]蒋建平，章杨松，罗国煜等.优势结构面理论在岩土工程中的应用.[J].水利学报.2001.8.

[2]李铁峰，潘懋，刘瑞珣.基岩斜坡变形与破坏的岩体结构模式分析.[J].北京