节理岩体变形特性研究方法初探

第11卷第11期中国水运V ol.11

N o.11

2011年11月Chi na W at er Trans port N ovem ber 2011

收稿日期：作者简介：张

澍，中交第二航务工程勘察设计院有限公司。

节理岩体变形特性研究方法初探

张

澍，李莎

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉430071）

摘

要：岩体变形特性的研究在岩石力学与工程中具有重要的理论和现实意义。由于岩体结构的复杂性，节理岩体

变形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，对岩体变形参数的确定方法进行了探讨，从经验类比法、试验法、正分析和反分析法三个方面对岩体变形特性的研究方法进行了全面论述，总结了各种方法的优势及不足，为节理岩体变形特性的进一步研究奠定了基础。关键词：节理岩体；变形参数；经验类比法；试验法；正分析法；反分析法中图分类号：TU 45文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）11-0239-04

一、引言

岩体变形参数的确定对岩体稳定性模拟至关重要，它是国内外岩石力学界研究的前沿课题。在国外，Ba rton et al （1974）、Goodm an （1981）、Bien iaws ki （1978）、Hoek

a n d B r own （1980）和Ka wa m ot o e t a l （1988）等学

者在大量试验、统计与反分析的基础上对工程岩体分类与参数估算进行了各有侧重的研究。在国内，孙均和冯紫良（1993）、于青春等（1995）、周创兵和於三大（1999）、陈波等（2001）、胡云进等（2001）、张有天（2003）、黄润秋等（2004）、唐辉明和张宜虎等（2006，2007）[1-3]

对

岩体变形模量从不同的角度做过系统的研究。

研究岩体变形模量的方法主要有：经验类比法、试验方法以及正分析和反分析法。试验资料确定岩体变形参数的方法最为直接但受到场地条件和经费条件的限制。经验类比法是根据工程岩体分级指标或弹性波测试成果直接估算岩体变形参数，这种方法较为简便易于实现。王亮清和唐辉明（2004）

[4-5]、

张志刚和乔春生（2006）[6]、李维树等（2006）[7]对其进行了研究。但具体到每一项工程，这样的参数只能是一个概略的标准，更符合实际的应是结合工程具体情况、经过充分分析论证提出供设计应用的计算参数；正分析法是根据岩体结构特征，用模拟方法计算岩体变形参数，反分析法实际上是利用现场所测得的岩体位移等数值反求岩体力学参数。岩体等效连续介质法可以借助于岩体结构面网络模拟加以实现。较实用的三维网络模型2种：一种是Lon g J CS 在假定岩体中裂隙发育呈圆盘状的基础上提出的圆盘裂隙网络模型；另一种是Dersh owit z WS 的多边形裂隙网络模型。陈剑平等（1995）

[8]

、周火明等（2001）[9]和贾洪彪等（2002）[10]已编制了不

同版本的岩体结构的三维网络模拟程序。唐辉明等（2007）[1]等提出了确定规则裂隙和不规则裂隙岩体等效变形参数的一种模型，该模型较好地反映了岩体等效变形参数的基本规律。

二、经验类比法1．经验估算法

经验估算法是利用已推导的经验公式对岩体力学参数进行计算取值，随着工程实践的不断运用，该方法得到不断的

完善。其显著优点是在估算过程中可以充分考虑地质和工程环境，而且费用低、速度快、简便易行，适合进行统计分析，较好的解决了试样的代表性问题。

1980年Hoek 根据Bien ia wsk i 提供的数据建立了岩体变形模量m E 与RMR 的关系式[11]

2100

m E R MR =（1）

1983年，Serafin 和Pereira 提供了新的数据，并建议采用以下关系式

10

40

10

25lg RMR m E Q

==（2）

1990年，Nich olson 和B ien iawsk i 利用试验室岩石块体的变形模量E i 与RMR 分类指标估计岩体变形模量[12]

2[0.00280.9exp(

)]22.82

m i RM R

E E RMR =+（3）

式中：i E 为岩块的变形模量。

1994年，Mitri et al.利用试验室岩块体的变形模量E i 与RMR 分类指标估计岩体变形模量[13]

[0.5(1(cos

))]

100

m i RMR E E π×=（4）

1997年，Hoek an d Brown 基于GSI 指标适用于单轴抗压强度不大于100MPa 岩体变形模量的计算公式[14]

10

1

40

2(/100)10

GS I m E UCS =×（5）

2001年，Palms trom 和Sin gh 基于RMI 指标确定岩体变形模量的计算公式[15]

0.3755.6m E RMI =RMI >0.1

（6）0.4

7m E RMI =1

（7）

2002年，Ba rton 又将单轴抗压强度引入岩体变形模量的计算公式[16]

1

3

10m e E Q =（8）100

U CS

e Q Q =（9）

2011-08-22

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2003年，Kayaba si et a l.基于E i 、RQ D （Rock Qu a lity D es ign a tion ）与WD （Weat h erin g Degree ）的经验公式[17]

1.1811

0.135[(1)/]100

m i RQD E E W D =+

（10）

2003年，Gok ceoglu et al.在通过引入UCS （Un iaxial Comp res sive Stren gth ）对上式进行修正，得到了新的估算公式[18]

15528

0.001[(1)/]100

i m E RQD E WD UCS =+（11）

2004年，李同录等从损伤力学的角度出发，将岩体中的节理视为一种初始损伤，将实验室岩石块体的力学参数通过几何损伤加以折减，得到节理岩体的有效变形参数

(1

)m V i

E C D E =×（12）

式中，C v 为节理面传压系数，可由式C v =K n /（K n +E i ）计算所得，K n 为节理面的法向刚度。

2004年，Zh a n g 和Ein s tein 提出了只通过RQ D 指标

与岩石块体的模量估计岩体变形模量的方法，并给出了上界、

下界及平均值的公式[19]，该方法不适合节理极发育的软岩：

0.0186 1.91

0.210RQD m i E E =×下界

（13）0.0186 1.91

1.810

RQ D m i E E =×上界

（14）0.0186 1.9110RQD m i E E =平均值

（15）

研究表明，这些关系式利用岩体分级预测岩体变形模量，对于在开挖过程中发生扰动的岩体如边坡和地基较为合理。

2．用弹性波速估算岩体变形参数

估算岩体变形参数的经验类比法中最为常用的就是进行地震波测试或声波测试，利用所得的弹性波波速估计工程岩体分级指标，再利用工程岩体分类指标与变形模量间的关系估算岩体的变形模量

3.5

10

p V Q =（16）

14.9668 3.7838

(1)14.0458 4.2398

(1)

P

P RMR V SRF RM R V SRF ===+≠（17）

1993年，Bart on 通过对挪威、瑞典、中国大陆和香港等地区的大量岩体工程数据进行分析，得出岩体纵波波速与

Q 指标间的统计关系1000l g 3500p V Q =+（m

s -1

），并在此基

础之上提出估算岩体的变形模量的经验公式[20]

(3500)/40

m p E V =（18）

弹性波测试是一种有效的确定岩体工程性质，进而估算岩体力学参数的方法，在目前的工程实践中被广泛采用。

3．工程类比法

根据大量已建工程的实际经验、统计数据和观测成果，结合具体工程的地质条件，在类比、分析、判断的基础上进行新的工程设计。同时，在施工过程中，根据工程实际进展情况和可能出现的问题，特别是根据现场观测结果，对设计进行必要的调整和修改。但是，在应用经验评估法和工程类比法时，一般应考虑以下因素。

岩体（石）的岩性必须基本相同或类同

岩体的岩性是复杂的，同一种岩体其性质有时相差甚远，

尤以碎屑沉积岩为甚，例如砂岩，因其成分、胶结物、胶结程度、胶结的形式、颗粒粗细、内部构造等的不同，使物理力学特性不一，又如软弱夹层的成分对岩体的特性有较大的影响。因此，对建筑物地基岩体的岩性，要对号才能类比，才能选择经验数据。

b.岩体的边界条件必须相似

边界条件亦是影响岩体质量的一个主要因素，各种边界条件应该是相似的，才能类比，才能选用经验数据。

c.建筑物类型应该一致

不同的建筑物有不同的功能、不同的条件和状况，只能进行同类型类比。

d.采用已经考验的水工建筑物的参数

建筑物在运行期经受最大洪水或暴雨、山洪考验后，利用它来反算工程地质提供参数的合理性和安全度，并以此来作为工程地质类比和经验判断的基本依据之一，起到相互校核的作用。

e.运用概率机理和模糊数学概念进行工程地质评价由于工程地质评价存在很大的不确定性，具有一定的风险，而这些风险如果对建筑物不会造成突然破坏，或者虽会造成破坏但速度缓慢，当发现初始破坏迹象时，可以采取补救措施，这样可节省较大投资，降低造价。在概率上若出现可能率小于25%，这类风险决策是可行的；反之，则不可行。

应用模糊数学概念评价工程地质也是由于地基各类岩体存在着各种不确定因素，模糊性是指外延模糊而带来的不确定性，即其事物概念本身是模糊的，是指客观事物差异中间过渡的“不分明性”。从模糊数学概念来讲，它是以隶属度来表征的，在我们工程地质评价中仅借鉴其模糊概念，对工程地质评价和建议地质参数时采取区间值，通常上限采用一般可能出现的工程地质条件，下限是较为不利或最不利的工程地质条件，亦可采用数学统计中的平均值或中值为上限，小值平均值或最小值为下限，最后确定定量评价和结论。

三、试验法

室内试验通常为小尺度试验，试样通常不能包含足够多的节理和节理组合类型。目前还没有成熟的理论方法基于岩块和结构面的力学参数对节理岩体力学参数进行预测。室内试验主要适用于研究完整岩块和单个结构面的力学性质。

获取真实的节理岩体的力学参数在实际工程设计中具有重要意义，增大试样的尺寸使之能包含足够数量的结构面和结构面组合类型，进行现场原位试验是能够获得节理岩体力学参数的有效途径。同时原位试验也需要在较大的应力条件下进行用于模拟真实的原位应力分布情况。目前有许多种原位试验方法，最为常用的有：原位压缩试验（单轴、双轴和三轴），钢板承载试验，扁千斤顶试验，钻孔千斤顶试验。Bien iaws ki （1970，1975，1978）利用原位试验方法研究了大型岩体的强度和变形性质。Heu ze （1981）在总结之前原位试验结果的基础上分析了在确定岩体强度和变心参数过程中出现的尺度效应。原位试验通常是耗时耗力且昂贵的，所以很难进行较多数量试样的研究。

四、正分析和反分析法

a.