CN103175730B - 一种节理岩体力学参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节理岩体力学参数确定方法。为了解决现有节理岩体力学参数可靠性不高的问题，所述节理岩体力学参数确定方法，包括如下步骤：1）测定岩石的单轴抗压强度σ_c、岩石的软硬程度m_i、地质强度指标GSI和扰动系数D；2）利用Hoek-Brown强度准则估算岩体力学参数：C、σ_t和E_H；3）建立数值计算模型，得出计算位移，并与现场位移进行比较，并针对比较结果决定是否调整地质强度指标GSI的大小，4）将E_H和E_B进行比较，当（E_H-E_B）/E_H＜5%时，弹性模量变形参数E即为估算弹性模量变形参数E_H，则节理岩参数确定；否则返步骤1）调整GSI的大小。本发明综合两种理论，确定可靠的节理岩参数，适用于质量极好到破碎岩体和各向异性岩体等情况。

Description

一种节理岩体力学参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种节理岩体力学参数确定方法。

背景技术

在岩土工程稳定性评价，结构和现场支护设计以及工程实体数值模拟中，工程岩体力学参数确定的研究至关重要。

目前，获取岩体力学参数的常用理论有以Hoek-Brown（以下简称H-B）强度准则为基础的岩体参数估算理论和基于数值模拟的位移反演理论。

1、基于Hoek-Brown准则的岩体估算方法

首先在设计岩石开挖工程时需要输入一些参数,这就要求提供一个准则来估算岩体强度。Hoek E和Brown E T在分析Griffith理论和修正的Griffith理论的基础上,通过对大量岩石三轴试验资料和岩体现场试验成果的统计分析,用试错法导出狭义的Hoek-Brown强度准则。Hoek-Brown最为突出的贡献是将数学公式与地质描述联系到了一起。

20余年来,Hoek-Brown准则进行了5次较大的改进,目前已经发展到2002版.H-B强度准则，公式如下：

${\mathrm{\σ}}_1={\mathrm{\σ}}_3+{\mathrm{\σ}}_c{(M\frac{{\mathrm{\σ}}_3}{{\mathrm{\σ}}_c}+s)}^a---\left(2\right)$

$m=m_i\exp \left(\frac{\mathrm{GSI}-100}{28-14D}\right)---\left(3\right)$

$s=\exp \left(\frac{\mathrm{GSI}-100}{9-3D}\right)---\left(4\right)$

$a=\frac{1}{2}+\frac{1}{6}(e^{-\mathrm{GSI}/15}-e^{-20/3})---\left(5\right)$

其中，式中：σ₁、σ₃分别为破坏时最大和最小主应力或是三轴试验中的围压；σ_c分别为岩石单轴抗压强度；m、s分别为岩体材料性质参数；m_i反映岩石的软硬程度，其取值范围在5～20之间；s反映岩体破碎程度，其取值范围在0～1之间；a为表征节理岩体的常数；D为节理岩体扰动参数，主要是考虑爆破破坏和应力松弛对节理岩体的扰动程度，它从非扰动的D=0变化到扰动性很强的D=1；GSI为地质强度指标量值。

$c=\frac{{\mathrm{\σ}}_c[(1+2a)s+(1-a)m{\mathrm{\σ}}_{3n}]{(s+m{\mathrm{\σ}}_{3n})}^{a-1}}{(1+a)(2+a)\sqrt{1+\frac{\left[6\mathrm{am}{(s+m{\mathrm{\σ}}_{3n})}^{a-1}\right]}{(1+a)(2+a)}}}$

式中，σ_3n=σ_3max/σ_ci，其中σ_ci为岩石无限侧抗压强度，要获得岩体的等效粘聚力和等效内摩擦角，须确定岩体的最小主应力上限值σ_3max。在隧道工程中，使用H-B岩体强度估算公式如下：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_{3\max }}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cm}}}=0.47{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cm}}}{\mathrm{\γ}{H}_t}\right)}^{-0.94}$

式中：σ_cm为岩体抗压强度；γ为岩体重度；H_t为隧道埋深。当水平应力大于垂直应力时，γH_t被水平应力取代。

σ_c＝σ_cis^a

$R_{\mathrm{mt}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ci}}(m-\sqrt{m^2+4s})$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cm}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ci}}\frac{[m+4s-a(m-8s)]{(m/4+s)}^{a-1}}{2(1+a)(2+a)}$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ci}}<100\mathrm{Mpa},E_m=(1-\frac{D}{2})\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ci}}}{100}}\&times;{10}^{\left(\frac{\mathrm{GSI}-10}{40}\right)}$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ci}}>100\mathrm{Mpa},E_m=(1-\frac{D}{2})\&times;{10}^{\left(\frac{\mathrm{GSI}-10}{40}\right)}$

H-B强度准则能很好地用到适用于质量极好到破碎岩体和各向异性岩体等情况。

由上可知，hoek-brown强度准则只需要输入完整岩石的单轴抗压强度σ_c；岩石的软硬程度m_i；地质强度指标GSI（对估算值最为敏感）；扰动系数D四个基本参数即可完成岩体力学参数估算。而四个基本参数可根据地质调查报告和室内外试验确定。

输出参数有强度参数（粘聚力C、内摩擦角和抗拉强度σ_t）和变形参数（弹模E）。

基于Hoek-Brown关于岩体经验破坏准则，以现场第一手资料及室内试验和已有研究成果为基础，对岩体进行分类并最终提供岩体的力学参数建议值。虽然可避免室内外试验测试周期长、费用高等问题，但是存在如下问题：（1）输入参数GSI的确定主要依靠地质调查，存在人为因素，主观性比较强；（2）得到的估算参数值的合理性难以验证。

2、基于数值模拟的位移反演理论：

自从提出反演分析概念，先后发展了正反分析、逆反分析、图谱法、统计反分析、智能反分析、正交优化反分析和杨志法提出的反演正算综合预测法等多种方法。

目前国内外侧重将正反分析与有限元、边界元和有限差分等方法相结合对稳定性做出科学分析的研究。基于此，采用位移反分析结合数值分析方法对岩体力学参数进行反演确定。

基于常规应用的M-C强度准则的输入参数有强度参数（粘聚力C、内摩擦角和抗拉强度σ_t）和变形参数（弹模E和泊松比μ）。国内外研究反演的力学参数主要有C、E、μ，根据已有研究，E、μ值的大小对计算结果最敏感，所以选取E、μ值作为待反演参数，而C、值一般根据地勘部门提供勘察资料确定。

基于数值模拟的位移反演理论是基于监控量测手段，以数值模拟为基础对岩体参数力学参数进行反演。而后者在多参数的位移反演中存在如下问题：（1）E、μ的反演结果不唯一；（2）C、取值存在可靠性问题。

发明内容

为了克服现有的节理岩体力学参数确定基于数值模拟的位移反演理论或基于Hoek-Brown准则的岩体估算方法存在的种种不足，本发明旨在提供一种节理岩体力学参数确定方法，该方法综合两种理论，确定可靠的节理岩参数粘聚力C、内摩擦角抗拉强度σ_t和弹性模量变形参数E，适用于质量极好到破碎岩体和各向异性岩体等情况。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种节理岩体力学参数确定方法，包括如下步骤：

1）先对节理岩岩体进行地质调查，测定岩石的单轴抗压强度σ_c、岩石的软硬程度m_i、地质强度指标GSI和扰动系数D；

2）利用Hoek-Brown强度准则估算岩体力学参数：粘聚力C、内摩擦角抗拉强度σ_t和估算弹性模量变形参数E_H；

3）建立数值计算模型，利用有限元法或有限差分法求解，将步骤2）估算出的粘聚力C、内摩擦角抗拉强度σ_t作为位移反演分析过程中的已知参数计算拱顶或侧壁位移得出计算位移，并与现场测量的拱顶或侧壁位移进行比较，当

（计算位移-测量位移）/计算位移＜5%时，反算得出弹性模量变形参数E_B；否则调整地质强度指标GSI的大小，直到（计算位移-测量位移）/计算位移＜5%；

4）将步骤2）的估算弹性模量变形参数E_H和步骤3）得出的弹性模量变形参数E_B进行比较，当（E_H-E_B）/E_H＜5%时，弹性模量变形参数E即为估算弹性模量变形参数E_H，则节理岩参数粘聚力C、内摩擦角抗拉强度σ_t和弹性模量变形参数E确定；否则返步骤1）调整地质强度指标GSI的大小，直到（E_H-E_B）/E_H＜5%。

在本发明中，建立数值计算模型采用常规方法，根据实体工程建立相应几何模型，并确定初始条件和边界条件、屈服条件和流动法则，并划分网格，即建立了实体工程的数值计算模型，利用有限元法或有限差分法对建立的数值模型进行求解。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

为了得到更可靠的节理岩参数，在步骤3中，当（计算位移-测量测量）/计算位移=0时，反算得出弹性模量变形参数E_B；否则调整地质强度指标GSI的大小，直到（计算位移-测量测量）/计算位移=0；但这种方案的缺点在于GSI的调整次数可能比较多。

本发明采用Hoek-Brown强度准则估算散体围岩强度参数（c、和σ_t）和变形参数E_H，将估算出的强度参数值作为位移反演分析过程中的已知参数，利用数值计算模型，对变形参数（E_B和μ）进行反演优化。同时，将基于H-B强度准则估算出的E_H和反演得到的E_B对比分析，作为散体围岩参数估算有效性的判据，进而对估算的输入参数进行修正，从而得出可靠的节理岩参数，具体流程图见图1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过检验Hoek-Brown估算值的准确性，以E作为判断标准，将两种分析力学参数确定方法有机的结合起来，发挥两种方法的优点。本发明综合考虑现场地质调查、室内试验和现场监测的结果，能有效验证参数可靠性和唯一性，确定的力学参数更接近实际。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的流程图；

图2是本发明实施例中ZK34+202拱顶沉降与水平收敛时态图；

图3是本发明实施例中ZK34+232拱顶沉降与水平收敛时态图。

具体实施方式

本实施例以吉怀高速杜夜隧道为例来阐述本发明。

一、杜夜隧道工程概况

吉怀高速杜夜隧道为双向4车道的双连拱隧道，隧道位于湖南省吉首市凤凰县境内，隧道起讫里程桩号K34+198～K34+704，隧道设计净空：

2×10.75×5.0m。隧道进口段（K34+200～K34+250）围岩呈散体结构（Ⅴ级），最大埋深约为25m，属于浅埋隧道，有2条规模较大的断层，层理明显，节理发育，隧道围岩地层岩性复杂多变。

二、基于H-B强度准则的强度参数估算确定

散体围岩强度参数的估算结果：

本实施例将进口段分为10段共11个断面，每5米对围岩进行取样，通过地质勘查和室内外试验，获取进口段划分为10段共11个断面的符合H-B破坏准则的围岩分类参数（杜夜隧道散体围岩段进口段岩性主要为震旦系上统系灰黑色薄层炭质页岩，由此确定m_i值。上统系炭质页岩单轴抗压强度Sigci可通过室内试验获得。根据现场岩体的扰动情况获取D值。通过现场对开挖段和掌子面的地质描述，估计GSI值），将这些参数应用于H-B强度准则，与Mohr-Coulomb破坏准则进行转化，得到11个断面的符合M-C破坏准则的参数值，即c、σ_τ和E_H，如表1，对围岩参数c、σ_τ、E_H取平均值。

表1散体围岩分段的力学参数估算

由表1可知，杜夜隧道散体围岩进口段的强度参数估算结果：c为0.056MPa，为27.4°，σ_τ为-0.003MPa，E_H为0.56GPa。

三、散体围岩变形参数位移反演

建立数值计算模型：

对杜夜隧道左主洞进口段的散体围岩参数进行反演优化。应用Flac3D软件对杜夜隧道建立三维模型。隧道横断面开挖宽度为12m，竖向开挖高度为10m，模型横向边界左右各取35m，模型纵向长度取40m，拱顶至模型顶部埋深为20m，拱底至模型底部距离为25m。对模型左右及前后边界施加水平位移约束，对模型底边界施加竖向位移约束。模型共划分34080个单元，36301个节点。数值计算服从Mohr-Column屈服准则。隧道采用正台阶留核心土法开挖。数值建模采用弹塑性本构模型。反演可靠度的评价指标为数值模拟计算位移值与现场量测位移值的差值的平方和最小为最佳。显然，此值越小，分析位移越接近真实，反演参数值也越接近工程实际。评价指标可表为

${\mathrm{\&delta;}}_i=\mathrm{\&Sigma;}{(u_{\mathrm{ci}}-u_{\mathrm{mi}})}^2$

其中，u_ci为测点i的现场量测位移值；u_mi为测点i的数值模拟位移值；δ_i为测点i的现场量测位移值与数值模拟位移值的差值平方和。

根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）、杜夜隧道围岩相关勘察设计资料及相关文献资料比较，散体围岩物理力学参数表2。

表2围岩物理力学参数

杜夜隧道散体围岩断面现场量测数据：

反演段主要是在进洞口K34+200～K34+246段Ⅴ级围岩，选取隧道ZK34+202、ZK34+232断面，根据施工现场监控量测报告，得到该断面上的监测数据，如图2、3所示。

由图2、3可知，ZK34+202总沉降值为-3.79mm，总收敛值为-0.70mm；ZK34+232总沉降值-3.93mm，总收敛值为-1.48mm。

散体围岩变形参数位移反演结果：

本发明采用黄金分割法对位移反演进行优化并结合数值模拟对散体围岩力学参数进行反演确定。取上述c和估算值c为0.056MPa，为27.4°，对变形参数弹模E_B、泊松比μ进行反演优化确定。根据杜夜隧道地质勘查报告提供的资料，选取E_B、μ的范围：弹模E_B：0.3～1GPa；泊松比μ：0.2～0.7。经过6次优选，得到了符合要求的E_B、μ参数值，如表3所示：

表3E_B、μ参数反演结果

由表3可知杜夜隧道ZK34+200～ZK34+250段散体围岩变形参数反演结果：弹模E_B为0.57GPa，泊松比μ为0.40。可以看出，经过第6次优选，E_H为0.56MPa，E_B为0.57MPa，相差仅为0.01MPa，相对误差为1.75%，数据说明，误差满足精度要求（一般小于5%），即杜夜隧道散体围岩力学参数估算及反演值合理有效。

四、散体围岩参数正算结果分析

对散体围岩参数正算结果分析：选取ZK34+232断面的现场监测值进行检验，将c，σ_t，E_H和μ的值应用于FLAC3D数值模型进行正算，得到ZK34+232断面的计算拱顶下沉值为3.98mm，水平收敛值为1.53mm。由图3可知ZK34+232断面实测拱顶下沉为3.93mm，水平收敛值为1.48mm，拱顶下沉计算位移值与实测位移值相差0.05mm，相对误差为1.3%；水平收敛计算位移值与实测位移值相差0.05mm，相对误差为3.4%，符合检验标准。

本实施例提出岩体力学参数确定新方法并应用于杜夜隧道，通过弹模E的对比分析，参数的可靠性和唯一性得到解决。结果表明E_H与E_B相差仅为0.01MPa，相对误差为1.75%，小于5%，即参数确定合理有效。

本实施例采用新方法确定的岩体力学参数c，σ_t，E_H和μ的值应用于数值模型进行正算，利用监控量测数据，对杜夜隧道散体围岩力学参数进行验证。结果表明：ZK34+232断面拱顶下沉值相对误差为1.3%；水平收敛值相对误差为3.4%，符合检验标准，满足工程实践，从而说明了本发明方法的可行性。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种节理岩体力学参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）先对节理岩岩体进行地质调查，测定岩石的单轴抗压强度σ_c、岩石的软硬程度m_i、地质强度指标GSI和扰动系数D；

2）利用Hoek-Brown强度准则估算岩体力学参数：粘聚力C、内摩擦角抗拉强度σ_t和估算弹性模量变形参数E_H；

3）建立数值计算模型，利用有限元法或有限差分法求解，将步骤2）估算出的粘聚力C、内摩擦角抗拉强度σ_t作为位移反演分析过程中的已知参数计算拱顶或侧壁位移得出计算位移，并与现场测量的拱顶或侧壁位移进行比较，当

（计算位移-测量位移）/计算位移＜5%时，反算得出弹性模量变形参数E_B；否则调整地质强度指标GSI的大小，直到（计算位移-测量位移）/计算位移＜5%；

4）将步骤2）的估算弹性模量变形参数EH和步骤3）得出的弹性模量变形参数E_B进行比较，当（E_H-E_B）/E_H＜5%时，弹性模量变形参数E即为估算弹性模量变形参数E_H，则节理岩参数粘聚力C、内摩擦角抗拉强度σ_t和弹性模量变形参数E确定；否则返步骤1）调整地质强度指标GSI的大小，直到（E_H-E_B）/E_H＜5%。

2.根据权利要求1所述的节理岩体力学参数确定方法，其特征在于，步骤3中，当（计算位移-测量测量）/计算位移=0时，反算得出弹性模量变形参数E_B；否则调整地质强度指标GSI的大小，直到（计算位移-测量测量）/计算位移=0。