工程岩体C,φ值
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 岩体力学参数影响因素分析
算得到 Mk 的指标值。计算公式为[5]
Mk = AK ( A1 + 2 A2 + 3A3 + 4 A4 + 5A5 ) /100
(1)
式中：Mk 为岩体的块度模数；A1～A5 为各级块度所 占的百分数，按照一定的数理统计方法得到；Ak 为 裂隙的形状系数。根据裂隙充填情况和胶结好坏选
f ：U → (V )
f (ui) = (ri1，ri2，…，rin)∈F(v)
(2)
(i = 1，2，…，m)
式中：f (ui)为关于因素 ui 的备择模糊向量，rij 为 ui 具有 vj 的备择程度。由 f 导出 U → (V )的模糊关系 为
⎡ r11 r12 L r1n ⎤
R = Rf
= (rij )m×n
摘要 在大量分析影响工程岩体物理力学因素基础上，筛选出影响工程岩体 c，φ 值的主要因素。探讨了用模糊数
学理论选取 c，φ 值的方法，对制约模糊分析精度的权重计算方法进行了改进，提出了基于灰色关联度理论的分析
方法，与其他几种方法比较，其计算结果更符合工程实际。
关键词 岩体力学，影响因素，岩体 c，φ 值，模糊综合评判，灰色关联度
(3Institute of Geology and Geophyics，The Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101 China)
Abstract In this paper, the key factors influencing c (cohesion)and φ (internal friction angle) of engineering rock masses is abstracted with consideration of physical and mechanical properties of rock masses. The selection method of c and φ values is discussed based on the fuzzy comprehensive judgment theory and an improved weight calculating method is proposed by means of the grey relation degree. The results show that the presented method is more efficient than that of the empirical formula. Key words rock mechanics，influencing factors，c，φ value of rock masses，fuzzy comprehensive judgment， grey relational degree
(1 Institute of Geotechnical Engineering，Xi′an University of Technolog， Xi′an 710048 China) (2 College of Civil Engeering，Xi′an University of Architecture and Technology， Xi′an 710055 China)
定，变化范围为 0.2～1.2，具体按文[5]中的关系曲 线进行取值。根据 Mk 值把岩体分为 5 级。
(3) 结构面的粗糙度。本次分级指标采用 N. Barton 强度准则中节理粗糙度系数 JRC 值，实测时 如遇充填物夹泥等情况，应降低其级别，对照标准 节理曲线进行取值[6]。
(4) 地下水作用。按实测地下水渗水压力 U 用 文[7]中水压力的影响值进行分级。水对岩石强度的 影响有两个方面：一是岩体物理化学性质发生变化；
分类号 TU 452，O 159
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)09-1481-05
FUZZY RELATIONAL ANALYSIS ON SELECTION OF c AND φ FOR ENGINEERING ROCK MASSES
Huo Runke1，2，Li Ning1，Ma Yingjun3
表 1 岩体力学参数影响因素及其等级 Table 1 Grading table of influencing factors on c and φ
values
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
Rc / MPa ＞200 100～200 50～100 25～50 ＜25
Mk ≥4 3～4 2～3 1～2 ＜1
2002 年 9 月 30 日收到初稿，2002 年 12 月 18 日收到修改稿。 作者 霍润科 简介：男，38 岁，1987 年毕业于华北水电学院水文地质与工程地质专业，现为博士研究生、副教授，主要从事岩土工程和地质工程方 面的教学与科研工作。
• 1482 •
岩石力学与工程学报
2004 年
理，对节理面采用 Barton-Bandis 经验方程进行估 算[3]。位移反分析方法用于岩体力学参数选取及有 关岩土工程问题的评价和预测，是在已有位移观测 资料基础上，通过求解逆方程得到岩体力学参数， 但该方法在如何建立正确的分析模型以及误差分 析、优化分析及解的唯一性方面仍有许多问题待进 一步研究[4]。
=
⎢ ⎢
r21
⎢M
r22 M
L
r2n
⎥ ⎥
O M⎥
(3)
⎢ ⎣rm1
rm2
L
⎥ rmn ⎦
对于因素集 U 上的模糊向量 A = (a1，a2，…， am)，通过 R 变换为备择集 V 上的模糊集为
B = A⊙R = (b1，b2，…，bn) =
⎡ r11 r12 L r1n ⎤
(a1，a2，…，am)
⎢ ⎢ ⎢
r21 M
r22 M
L
r2n
⎥ ⎥
O M⎥
(4)
⎢ ⎣rm1
rm2
L
⎥ rmn ⎦
m
∨ 这里，bj 可选用主因素突出型 bj = ( ak ∧ rkj )、 k=1
m
m
∨ ∑ 主因素决定型 bj = (akrkj) 和加权平均型 bj = akrkj
k=1
k=1
模型。在以上 3 个步骤中，建立单因素评判矩阵 R
第 23 卷 第 9 期 2004 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(9)：1481～1485 May，2004
工程岩体 c，φ 值选取的模糊-关联分析
霍润科 1，2 李 宁 1 马英军 3
(1 西安理工大学岩土工程研究所 西安 710048) (2 西安建筑科技大学土木工程学院 西安 710055) (3 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100101)
岩体具有非均质和各向异性，是岩块和不连续 面的组合体，其力学性质是多种影响因素的综合反 映。同样，岩体力学参数的影响因素也是复杂众多 的，例如：地层岩性、风化作用、结构面(节理)、 粗糙度、裂隙发育程度及其组合形式、结构面的数 量和形状、尺寸效应、地应力条件及加荷方向等。 在考虑岩体力学参数选取因素时遵循了以下 3 个原 则：(1) 将岩体分成性状类似的组(工程地质岩组)； (2) 突出结构面(节理裂隙)在岩体力学强度研究中 起主导作用；(3) 选用的影响因素易于在实际工程 中获取量化指标。由此筛选出地层岩性、块度模数、 结构面状况、地下水作用和综合因素的影响等 5 个 方面的地质指标，下面分别予以说明：
综上所述，岩体力学参数的取值是在试验基础 上进行的，因此，参数应尽可能地反映地质条件， 试验条件及工程条件。在选取设计参数时，应结合 工程岩体实际，对比各种选取结果，采用综合比较， 正确合理地选取力学参数的原则。实践证明，模糊 数学理论为解决这一问题提供了一条可能的途径， 其原因在于它可以从众多影响因素中求出主要因 素，使经验判断科学化、合理化。就模糊数学分析而 言，隶属度和权重是制约计算结果精度的瓶颈。一 般来说，隶属度可从数理统计得到的隶属函数取得， 而权重多为经验值。本文对模糊数学权重取值方法 进行了改进，提出基于灰色理论的关联度分析法。 应用模糊-关联分析对张河湾抽水蓄能电站右岸边 坡岩体力学参数进行了选取。
1引言
在岩体稳定性分析中，各种数值方法得以成功 应用的关键是岩体力学参数的合理选取，“参数给 不准”和“模型给不准”已成为岩石力学理论分析 与数值模拟的“瓶颈”问题[1]。岩石力学参数确定 方法有：室内试验、现场试验、工程地质经验类比、 经验公式估算以及参数反演分析等。由于通过现场
测试设备和方法得到的岩石力学参数与工程实际性 状有很大差别，因此，岩石力学参数应用于稳定分 析时，应考虑岩石(块)和岩体(地质体)性状的差别进 行工程处理(系数折减)。应考虑的因素有地质条件、 尺寸效应、水的作用等[2]。工程地质经验类比法是 根据国内外已建类似工程所得强度参数，结合本区 工程地质条件，加上实践经验，综合判断确定参数。 经验公式估算目前大多采用费辛柯(Φucerko)、M. Geogri 法和 Hoek-Brown 法对岩块强度进行弱化处
(6)
i
k
两级绝对差为
Δ0i = x0 (k) − xi (k)
(7)
则
ξ0i
第 23 卷 第 9 期
霍润科等. 工程岩体 c，ϕ 值选取的模糊-关联分析
• 1483 •
岩体力学参数的选取。 3.1 模糊综合评判法[8]
假设影响岩体力学参数各因素集为
U = {u1，u2，…，um} 各类岩体力学参数的取值范围构成备择集为
V = {v1，v2，…，vn}
建立一个从 U 到 V 的模糊映射为
JRC 16～20 12～16 8～12 4～8 0～4
U/MPa 0.1＜ 0.1～0.25 0.25～0.5 0.5～1.0 ＞1.0
Z 0 0～0.2 0.2～0.59]
模糊数学是用数学方法研究和处理具有模糊性 现象的科学，所谓模糊性是指客观事物差异中间过 渡的不分明性，岩体力学参数的取值过程也存在这 种不分明性，这主要是由于不同地区地质条件的多 变性、同一地区地质条件的复杂性以及测试技术和 手段尚不完全可靠引起的。因此，人们对地质体的 认识不可避免地带有主观性，也就是说对受自然因 素控制的岩体，尚难给出精确的本构关系。所以， 按自然规律求“概略”，比人为条件下求“精确”更 具有实际意义。本文应用模糊数学综合评判法进行
关联系数和关联度来表达。
3.2.1 关联系数[10]
设参考序列为 x0(k)，比较序列为 xi(k) (k = 1， 2，…，n；i = 1，2，…，m)，令
两级最小差为
Δmin = min min | x0 (k) − xi (k) |
(5)
ik
两级最大差为
Δmax = max max | x0 (k) − xi (k) |
二是岩体中的孔隙水压力导致弱面上的正应力减
小，降低岩体的抗剪强度。
(5) 综合因素 Z 的影响。比如施工方法、地应 力、尺寸效应等因素，它们难于量测和量化，只能
根据现场情况进行模糊化选取。本次分成 5 级由好 到坏分别为 0，0.2，0.5，0.8，1.0[8]。
由此，可以得到岩体力学参数影响因素集 U = {Rc，Mk，JRC，U，Z}及其等级(表 1[3，5～9])。
(1) 地层岩性。以岩石的抗压强度 Rc 作为评价 指标，按照 Bieniawski[3]岩体分类把 Rc 分成 5 级考 虑。它的大小反映了工程地质岩组岩石的类型和性 质，具有一定的地质代表性。
(2) 块度模数(Mk)。是通过统计被裂隙切割而成 的岩块大小及组合关系来表征岩体质量好坏的一个 参数。它把裂隙密度、方向、规模、裂隙面特征及 充填物性状等因素综合表现在块度上，通过公式计
和确定模型模糊向量(权重) A 是两项关键工作，没有
统一格式可循，一般采用统计试验和专家评分办法
求出。
3.2 灰色关联分析方法
灰色关联分析方法是对一个系统发展变化态势
进行定量描述和比较的方法。其目的是根据系统中
各因素的主要关系，找出影响目标值的主要因素。
关联性实质上是曲线间几何形状的差异性，它以曲
线间差值的大小作为关联程度量化的尺度，通常用
算得到 Mk 的指标值。计算公式为[5]
Mk = AK ( A1 + 2 A2 + 3A3 + 4 A4 + 5A5 ) /100
(1)
式中：Mk 为岩体的块度模数；A1～A5 为各级块度所 占的百分数，按照一定的数理统计方法得到；Ak 为 裂隙的形状系数。根据裂隙充填情况和胶结好坏选
f ：U → (V )
f (ui) = (ri1，ri2，…，rin)∈F(v)
(2)
(i = 1，2，…，m)
式中：f (ui)为关于因素 ui 的备择模糊向量，rij 为 ui 具有 vj 的备择程度。由 f 导出 U → (V )的模糊关系 为
⎡ r11 r12 L r1n ⎤
R = Rf
= (rij )m×n
摘要 在大量分析影响工程岩体物理力学因素基础上，筛选出影响工程岩体 c，φ 值的主要因素。探讨了用模糊数
学理论选取 c，φ 值的方法，对制约模糊分析精度的权重计算方法进行了改进，提出了基于灰色关联度理论的分析
方法，与其他几种方法比较，其计算结果更符合工程实际。
关键词 岩体力学，影响因素，岩体 c，φ 值，模糊综合评判，灰色关联度
(3Institute of Geology and Geophyics，The Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101 China)
Abstract In this paper, the key factors influencing c (cohesion)and φ (internal friction angle) of engineering rock masses is abstracted with consideration of physical and mechanical properties of rock masses. The selection method of c and φ values is discussed based on the fuzzy comprehensive judgment theory and an improved weight calculating method is proposed by means of the grey relation degree. The results show that the presented method is more efficient than that of the empirical formula. Key words rock mechanics，influencing factors，c，φ value of rock masses，fuzzy comprehensive judgment， grey relational degree
(1 Institute of Geotechnical Engineering，Xi′an University of Technolog， Xi′an 710048 China) (2 College of Civil Engeering，Xi′an University of Architecture and Technology， Xi′an 710055 China)
定，变化范围为 0.2～1.2，具体按文[5]中的关系曲 线进行取值。根据 Mk 值把岩体分为 5 级。
(3) 结构面的粗糙度。本次分级指标采用 N. Barton 强度准则中节理粗糙度系数 JRC 值，实测时 如遇充填物夹泥等情况，应降低其级别，对照标准 节理曲线进行取值[6]。
(4) 地下水作用。按实测地下水渗水压力 U 用 文[7]中水压力的影响值进行分级。水对岩石强度的 影响有两个方面：一是岩体物理化学性质发生变化；
分类号 TU 452，O 159
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)09-1481-05
FUZZY RELATIONAL ANALYSIS ON SELECTION OF c AND φ FOR ENGINEERING ROCK MASSES
Huo Runke1，2，Li Ning1，Ma Yingjun3
表 1 岩体力学参数影响因素及其等级 Table 1 Grading table of influencing factors on c and φ
values
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
Rc / MPa ＞200 100～200 50～100 25～50 ＜25
Mk ≥4 3～4 2～3 1～2 ＜1
2002 年 9 月 30 日收到初稿，2002 年 12 月 18 日收到修改稿。 作者 霍润科 简介：男，38 岁，1987 年毕业于华北水电学院水文地质与工程地质专业，现为博士研究生、副教授，主要从事岩土工程和地质工程方 面的教学与科研工作。
• 1482 •
岩石力学与工程学报
2004 年
理，对节理面采用 Barton-Bandis 经验方程进行估 算[3]。位移反分析方法用于岩体力学参数选取及有 关岩土工程问题的评价和预测，是在已有位移观测 资料基础上，通过求解逆方程得到岩体力学参数， 但该方法在如何建立正确的分析模型以及误差分 析、优化分析及解的唯一性方面仍有许多问题待进 一步研究[4]。
=
⎢ ⎢
r21
⎢M
r22 M
L
r2n
⎥ ⎥
O M⎥
(3)
⎢ ⎣rm1
rm2
L
⎥ rmn ⎦
对于因素集 U 上的模糊向量 A = (a1，a2，…， am)，通过 R 变换为备择集 V 上的模糊集为
B = A⊙R = (b1，b2，…，bn) =
⎡ r11 r12 L r1n ⎤
(a1，a2，…，am)
⎢ ⎢ ⎢
r21 M
r22 M
L
r2n
⎥ ⎥
O M⎥
(4)
⎢ ⎣rm1
rm2
L
⎥ rmn ⎦
m
∨ 这里，bj 可选用主因素突出型 bj = ( ak ∧ rkj )、 k=1
m
m
∨ ∑ 主因素决定型 bj = (akrkj) 和加权平均型 bj = akrkj
k=1
k=1
模型。在以上 3 个步骤中，建立单因素评判矩阵 R
第 23 卷 第 9 期 2004 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(9)：1481～1485 May，2004
工程岩体 c，φ 值选取的模糊-关联分析
霍润科 1，2 李 宁 1 马英军 3
(1 西安理工大学岩土工程研究所 西安 710048) (2 西安建筑科技大学土木工程学院 西安 710055) (3 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100101)
岩体具有非均质和各向异性，是岩块和不连续 面的组合体，其力学性质是多种影响因素的综合反 映。同样，岩体力学参数的影响因素也是复杂众多 的，例如：地层岩性、风化作用、结构面(节理)、 粗糙度、裂隙发育程度及其组合形式、结构面的数 量和形状、尺寸效应、地应力条件及加荷方向等。 在考虑岩体力学参数选取因素时遵循了以下 3 个原 则：(1) 将岩体分成性状类似的组(工程地质岩组)； (2) 突出结构面(节理裂隙)在岩体力学强度研究中 起主导作用；(3) 选用的影响因素易于在实际工程 中获取量化指标。由此筛选出地层岩性、块度模数、 结构面状况、地下水作用和综合因素的影响等 5 个 方面的地质指标，下面分别予以说明：
综上所述，岩体力学参数的取值是在试验基础 上进行的，因此，参数应尽可能地反映地质条件， 试验条件及工程条件。在选取设计参数时，应结合 工程岩体实际，对比各种选取结果，采用综合比较， 正确合理地选取力学参数的原则。实践证明，模糊 数学理论为解决这一问题提供了一条可能的途径， 其原因在于它可以从众多影响因素中求出主要因 素，使经验判断科学化、合理化。就模糊数学分析而 言，隶属度和权重是制约计算结果精度的瓶颈。一 般来说，隶属度可从数理统计得到的隶属函数取得， 而权重多为经验值。本文对模糊数学权重取值方法 进行了改进，提出基于灰色理论的关联度分析法。 应用模糊-关联分析对张河湾抽水蓄能电站右岸边 坡岩体力学参数进行了选取。
1引言
在岩体稳定性分析中，各种数值方法得以成功 应用的关键是岩体力学参数的合理选取，“参数给 不准”和“模型给不准”已成为岩石力学理论分析 与数值模拟的“瓶颈”问题[1]。岩石力学参数确定 方法有：室内试验、现场试验、工程地质经验类比、 经验公式估算以及参数反演分析等。由于通过现场
测试设备和方法得到的岩石力学参数与工程实际性 状有很大差别，因此，岩石力学参数应用于稳定分 析时，应考虑岩石(块)和岩体(地质体)性状的差别进 行工程处理(系数折减)。应考虑的因素有地质条件、 尺寸效应、水的作用等[2]。工程地质经验类比法是 根据国内外已建类似工程所得强度参数，结合本区 工程地质条件，加上实践经验，综合判断确定参数。 经验公式估算目前大多采用费辛柯(Φucerko)、M. Geogri 法和 Hoek-Brown 法对岩块强度进行弱化处
(6)
i
k
两级绝对差为
Δ0i = x0 (k) − xi (k)
(7)
则
ξ0i
第 23 卷 第 9 期
霍润科等. 工程岩体 c，ϕ 值选取的模糊-关联分析
• 1483 •
岩体力学参数的选取。 3.1 模糊综合评判法[8]
假设影响岩体力学参数各因素集为
U = {u1，u2，…，um} 各类岩体力学参数的取值范围构成备择集为
V = {v1，v2，…，vn}
建立一个从 U 到 V 的模糊映射为
JRC 16～20 12～16 8～12 4～8 0～4
U/MPa 0.1＜ 0.1～0.25 0.25～0.5 0.5～1.0 ＞1.0
Z 0 0～0.2 0.2～0.59]
模糊数学是用数学方法研究和处理具有模糊性 现象的科学，所谓模糊性是指客观事物差异中间过 渡的不分明性，岩体力学参数的取值过程也存在这 种不分明性，这主要是由于不同地区地质条件的多 变性、同一地区地质条件的复杂性以及测试技术和 手段尚不完全可靠引起的。因此，人们对地质体的 认识不可避免地带有主观性，也就是说对受自然因 素控制的岩体，尚难给出精确的本构关系。所以， 按自然规律求“概略”，比人为条件下求“精确”更 具有实际意义。本文应用模糊数学综合评判法进行
关联系数和关联度来表达。
3.2.1 关联系数[10]
设参考序列为 x0(k)，比较序列为 xi(k) (k = 1， 2，…，n；i = 1，2，…，m)，令
两级最小差为
Δmin = min min | x0 (k) − xi (k) |
(5)
ik
两级最大差为
Δmax = max max | x0 (k) − xi (k) |
二是岩体中的孔隙水压力导致弱面上的正应力减
小，降低岩体的抗剪强度。
(5) 综合因素 Z 的影响。比如施工方法、地应 力、尺寸效应等因素，它们难于量测和量化，只能
根据现场情况进行模糊化选取。本次分成 5 级由好 到坏分别为 0，0.2，0.5，0.8，1.0[8]。
由此，可以得到岩体力学参数影响因素集 U = {Rc，Mk，JRC，U，Z}及其等级(表 1[3，5～9])。
(1) 地层岩性。以岩石的抗压强度 Rc 作为评价 指标，按照 Bieniawski[3]岩体分类把 Rc 分成 5 级考 虑。它的大小反映了工程地质岩组岩石的类型和性 质，具有一定的地质代表性。
(2) 块度模数(Mk)。是通过统计被裂隙切割而成 的岩块大小及组合关系来表征岩体质量好坏的一个 参数。它把裂隙密度、方向、规模、裂隙面特征及 充填物性状等因素综合表现在块度上，通过公式计
和确定模型模糊向量(权重) A 是两项关键工作，没有
统一格式可循，一般采用统计试验和专家评分办法
求出。
3.2 灰色关联分析方法
灰色关联分析方法是对一个系统发展变化态势
进行定量描述和比较的方法。其目的是根据系统中
各因素的主要关系，找出影响目标值的主要因素。
关联性实质上是曲线间几何形状的差异性，它以曲
线间差值的大小作为关联程度量化的尺度，通常用