岩体经验强度准则估算岩基强度参数和变形模量的方法

结合岩体ＣＳＩＲ和ＮＧＩ分类体系,介绍了由岩体经验强度准则和岩体分类指标ＲＭＲ和Ｑ估算地基岩体强度参数和变形模量的方法,从而为快速、经济地进行岩基设计提供了重要途径。     

裂隙岩体在受荷条件下的声学特性研究

 博士学位论文摘要　自60 年代超声波测试技术应用到岩石工程领域以来, 已经成功地用于岩石、岩体和土体动弹性参数测试、岩体结构分类、参数确定以及岩体质量评价等问题, 因而得到岩土工程界的广泛重视, 并已进行了大量的理论与实验研究。在应用中用声速确定岩体的完整性系数, 作为岩体质量分级的一个重要指标, 已纳入了我国工程岩体分类国家标准; 但目前的研究基本上是沿声速和衰减两个参数而展开的, 对于岩石和岩体的声学特性与应力状态的相关性、对于与应力状态相关联的加载和卸载过程、对于声波信号中的信息如何应用等等, 还是尚未解决的问题, 因而目前的声波测试还难以解决声波与岩石力学特性相关的较复杂问题, 这就阻碍了超声波测试技术在岩土工程领域的更广泛的应用。为此本文重点研究裂隙岩体在受荷条件下的声学特性理论模型, 研究声波信号处理技术的新方法。通过大量的实验验证和对声波波形记录的数值分析, 系统地揭示了微裂隙岩石和裂隙岩体在加卸荷过程中的声学特性。其主要工作如下:(1) 通过分析岩石中裂隙的性态和对岩体中裂隙的界定, 从宏观角度将含裂隙岩石视为连续介质, 推导了超声波在其中传播时的声速及衰减与弹性参数的理论关系; 然后就岩石中裂隙在自由应力状态下对超声波传播的影响进行了详细的分析; 最后运用裂隙的边界元数值分析结果对岩石超声波与应力的相关性进行探讨。(2) 将岩石视为包含随机分布、具有一定开度且无充填物的微裂隙的各向同性体, 运用断裂力学理论推求出岩石在单轴,三轴加、卸荷全过程的本构模型; 运用岩石变形特性、空隙率、等效弹性参数及波速、衰减之间的关系提出等效模型, 建立了岩石在加卸荷过程中声速及衰减与应力的理论关系; 为了检验模型的正确性, 对砂岩、大理岩、花岗岩、灰岩和玄武岩等5 种岩石及石膏模型进行了加卸荷条件下的声波测试实验研究, 其结果与模型预测有较好的一致性。(3) 在对裂隙岩体建立宏观简化模型的基础上, 研究了裂隙岩体的等效弹性参数及其在未受到外部荷作用时的声速和衰减系数; 考虑裂隙闭合效应分析裂隙的变形特性, 并由此建立裂隙岩体在不同受荷条件下的声学特性的理论模型。通过对两种裂隙分布的石膏模型的实验研究, 证实了该理论模型能有效地模拟裂隙岩体的声学特性。(4) 采用小波变换理论对声波信号进行时2频域分析。将声波信号分解成不同频带通道的小波分量, 通过对各小波分量的频域分析, 提出了对应力较敏感的加权波谱参数; 并利用这种处理技术研究了岩石(体) 在受荷条件下波谱参数随应力的变化规律, 并说明以小波分析为基础定义的波谱参数在分析裂隙岩石和岩体的声学特性与应力相关性方面的重要理论意义和应用价值。(5) 运用损伤力学理论研究了岩石的损伤力学特性, 建立了岩石强度与超声波速之间的指数关系式; 并通过对混凝土和重庆砂岩的实验数据的拟合证实了这种指数关系的存在。针对目前在隧道工程中广泛采用的Q 系统围岩分类以及岩石工程中RMR 工程岩体分类, 利用现存的统计结果将岩体的超声波速与岩体质量指数Q、岩体分类指数RMR 及Hoek2Brown 准则联系起来, 建立了用岩体超声波速进行岩体分类以及对岩体强度参数和变形参数的估测方法。通过对三峡工程永久船闸高边坡岩体的应用, 发现由超声波预测的力学参数与直接采用RMR 分类系统和Hoek2Brown 准则估计的岩体力学参数基本吻合。从而表明应用超声波预测岩体力学参数是完全可行的。     

田湾核电厂人工高边坡的三维数值模拟

在对岩体工程进行数值模拟分析时,岩体力学参数的确定是影响分析结果可靠性的关键步骤。由于岩体受结构面的控制,其变形和强度性质由岩块和结构面的性质共同决定。将岩块视为各向同性介质,其参数可由室内试验测得;将岩体中的结构面视为一种初始损伤,岩体变形参数通过岩块参数的损伤折减来确定。同时,利用Hoek-Brown岩体强度参数预测方程,结合RMR分类,通过弱化处理确定岩体的强度参数。将折减后的岩体变形参数和弱化处理后的强度参数用于田湾核电厂人工高边坡的三维数值模拟,对几种开挖方案进行分析对比,为最终设计提供了合理的挖坡角。     

泰国Lam Ta Khong隧洞的变形及工程地质测试

本文简要叙述了泰国Ｌａｍ Ｔａ Ｋｈｏｎｇ抽水蓄有工程中所进行的工程地质测试、岩体分类及隧洞支护变形监测。工程区由侏罗系呵叻（Ｐｈｕ－Ｋａｒｄｕｎｇ）组地层沉积岩（砂岩、淤泥质岩石）和第四纪粘土岩／泥岩组成。不力发电隧洞由常规的钻爆法掘进施工。工程地质测试收订的主要参数有风化状态、硬度及节理间距。同时，对岩体类型（ＲＭＲ）也随工程地质测试一起作了划分。硬度参数可当作无侧限抗压强度和ＲＭＲ的指标。文中根据岩体类型使用了标准支护型式，并且该支护型式在多数隧洞中的表现令人满意，通过定期记录与爆破后的历时及掌子面推进距离有关的变形，发现收敛速度主要取决于岩体类型、掌子面推进距离及实施支护后所经历的时间。本文提供了一些隧洞随时间和掌子面推进而变形移动的典型事例。其时间－变形的经验方程表示为ｄ＝ａ＋ｂｌｎｔ，该方程基本上对     

岩体变形模量随深度的变化关系

针对花岗岩，使用岩石力学参数管理系统ＲＯＭＥＤＡ（ＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓＤａｔａ）中的数据，推导了岩体变形模量随深度的变化关系，并把这种关系应用到三峡永久船闸边坡岩体变形模量的预测中。     

断续节理岩体渐进破坏数值模拟方法及等效力学参数的测定

工程岩体分级标准一般不考虑工程岩体的本构关系,仅提供黏聚力和内摩擦角,岩石的力学参数及现场小尺度的试验结果也不能直接用于工程计算。针对这一问题,利用岩石及结构面的实测参数建立含随机裂隙的岩体数值模型,模拟裂隙岩体渐进破坏过程,并获取岩体等效力学参数的数值模拟方法。计算结果证实,考虑地应力及卸荷条件下,计算获得的岩体强度参数较基于工程岩体分类体系的经验值高30%~50%,各风化、卸荷区结论一致,数值模拟获得的岩体卸载变形模量与工程实测值反演获得的变形模量一致。采用数值模拟方法获取岩体破坏模式、本构关系及相应的强度、变形参数是可行的。     

含结构面板岩变形特征分析

在三轴压缩实验基础上,研究含一组结构面的板岩在不同湿度与压力下的力学特性及变形规律,利用Hoek-Brown强度准则分析了板岩的破坏特征,建立了相应的岩体强度准则与力学参数求取方法;利用FLAC程序模拟计算了不同埋深条件下板岩岩体中开挖隧洞后洞周变形规律,分析了岩体变形特征.研究结果表明:1)基于Hoek-Brown准则建立了含结构面的板岩岩体强度破坏准则,确定出的不同地质条件下板岩岩体力学强度参数;2)扰动程度对岩体强度参数有较大的影响,且影响程度随着隧洞埋深的增加而增大;3)数值模拟结果显示,西线工程软岩隧洞的围岩变形主要受开挖断面、埋深及物理力学参教等多因素的影响.     

南京地铁工程勘察中声波测试与分析

通过将声波测井及岩芯波速测量等方法运用于南京地铁工程勘察中,利用声波测井结果与岩芯物性参数对比,进行多参数综合分析,为岩体风化程度与岩体强度变化分析提供了有效的参数。原位声波波速测量,给出了岩体波速随深度的分布特征;通过原位测井波速与室内岩芯波速的对比测量,分析了不同强度岩石在不同测量条件下的差异;对原位测井波形特征的振幅变化、衰减特性分析,可进一步了解岩体的结构性质,从而证明声波测井是工程地质勘察中一种快速、经济、有效的岩体原位测试方法。     

Hoek-Brown准则中确定地质强度指标因素的量化

 追踪Hoek-Brown准则利用岩块力学参数估算岩体力学参数所采取方法的进展及各种改进措施。指出Hoek创立的最新方法——地质强度指标(GSI)法完全依赖定性描述和个人主观经验的不足,揭示决定地质强度指标的物理因素是岩体结构类型,化学因素是岩石风化状况。引入基于钻孔岩芯不同完整长度的岩体块度指数,以定量地表征岩体结构。分析岩石风化在化学上是原生矿物水解、淋失促使矿物蚀变而导致岩性改变的过程,依此提出表征岩石风化状况的定量指标——岩石绝对风化指数,同时研究推出其计算方法。将岩体块度指数、绝对风化指数在地质强度指标的区间范围概化表上有机结合起来,构成了GSI的定量确定方法。利用该方法估计一公路隧道围岩的变形模量、抗拉、抗压及抗剪强度等力学参数,并计算塌落拱高度。与实测数据对比,其最大误差在14%左右,验证方法的有效性和实用性。     

基于岩体波速的Hoek-Brown准则预测岩体力学参数方法及工程应用

根据建立的由岩体波速估算地质强度指标GSI和岩体扰动参数D的计算公式,引入Hoek-Brown准则,给出岩体波速预测岩体力学参数方法(简称岩体波速法)。以中缅油气管道(国内段)澜沧江跨域工程边坡岩体力学参数研究为例,并以室内岩石物理力学参数和场区声波测试数据为基础,采用岩体波速法和E. Hoek建议法预测场区的岩体力学参数。结果表明：岩体波速法和E. Hoek建议法所得的结果平均相对误差均较小,两者基本等效,数值模拟结果更进一步验证了工程应用效果的合理性。该方法在试验资料不足的情况下,能为岩体力学参数的快速评价提供一条新途径。     

深部岩体强度准则

提出一种新的适用于深部岩体的强度准则,该准则考虑深部岩体的拉伸破坏,同时考虑深部岩体的剪胀和剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,而且与RMR岩体地质力学分类指标建立联系.深部岩体准则中的参数均有明确的物理意义,可以很容易通过实验确定或通过RMR岩体地质力学分类确定.该准则不仅可考虑所有应力分量对材料破坏的影响,而且可反映深部岩体的受力特点.最后,将新准则与实验结果进行比较,从而验证了新准则的有效性.     

基于V.RQD值与Hoek-Brown准则的破碎岩体强度研究

被多组贯通结构面切割后产生的大体积破碎岩体在不同围压下仍具有一定的强度,但通过Hoek-Brown准则对其进行强度评价时,因对岩体结构划分缺乏定量描述,使得参数m与s的取值很难准确确定。在传统RQD值不足的基础上,引入不同阈值下的三维体积V.RQD值概念,建立破碎岩体质量指标V.RQD值计算机模拟方法,结合RMR评分标准和Hoek-Brown强度准则,通过探讨三维体积V.RQD值的取值范围,得到不同阈值时岩体质量参数m,s值与Hoek-Brown强度包络线以及岩体变形模量E0等之间的一些变化规律,定量化表述V.RQD值对破碎岩体强度的影响。结果表明,V.RQD值作为岩体质量指标之一,可为破碎岩体的强度估计提供新的实用途径。     

岩体分级方法在水布垭地下厂房工程中的应用

以国家标准《工程岩体分级标准》为主，Q系统分类、RMR地质力学分类方法为辅，对清江水布垭水利枢纽地下厂房岩体进行了质量分级，使这些分级方法在沉积岩中得到了应用，同时，建立了国标分级结果与支护方式之间的关系。     

岩芯卸荷扰动的声学反应与卸荷敏感岩体

声波测试是工程岩体质量评价的最主要手段之一。将岩体与岩块的纵波波速比的平方定义为岩体的完整性系数。不仅为国内外学者广泛认同。而且是现行规范的定义。这是源于如下认识：原位岩体的纵波波速小于其中岩块的波速；岩体越破碎。小得越多。然而。通过润扬大桥声波测试发现。用通常手段得到的大部分岩体的测井波速反而大于岩样波速。对该桥基岩40余个钻孔数百个岩样进行了多种手段的对比研究和综合分析。探讨了测试结果的可靠性及产生原因。进而提出了岩芯卸荷扰动和卸荷敏感岩体的概念和相应的工程对策。     

南水北调西线工程隧洞围岩分类和变形分析

根据工程地质性质和砂岩、板岩比例对隧洞区工程地质岩组进行了划分，并对结构面和岩体结构进行分级和分类，在此基础上用T系统和RMR系统对隧洞围岩进行分类；变形计算中，根据围岩分类，采用基于GSI的Hoek-Brown经验方法对围岩岩体变形进行分析计算，并根据围岩分类和变形计算，对TBM在西线的适用性进行了探讨。     

基于原位试验和规范的岩体抗剪强度与Hoek-Brown准则估值比较

简要论述目前岩体抗剪强度确定方法,以黄河上游玛尔挡水电站坝基岩体为例,在岩体质量分级基础上,引入规范建议值及现场原位大型剪切试验结果,建立岩体抗剪强度指标与BQ岩体质量分级的相关关系。同时利用实测资料建立BQ与GSI的相关关系,运用Hoek-Brown准则估算各试验点岩体的抗剪强度指标。结果表明,采用该研究成果较符合工程实际,而采用Hoek-Brown准则估算的等效内摩擦因数偏小,黏聚力则偏大很多。误差分析表明,这一结果主要是由Hoek-Brown准则中最小主应力的取值范围引起的,据此提出公式应用中需注意的问题及相应解决方法。     

节理岩体物理模拟与超声波试验研究

以三维各向异性介质弹性波方程为理论基础，给出具有不同节理面岩体的数学物理模型，将具有典型节理构造的岩体分别简化为横向各向同性和单斜各向异性介质，并得出各向异性介质中的弹性波在遇节理面发生反射、透射后沿不同传播方向的传播速度。根据上述数学物理模型制备节理岩体物理模型，相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试，试验证明，超声波波速对于物理模型中节理面的影响十分敏感，节理面的存在使弹性波传播速度重新分布，在合理布置测点的情况下，对节理面的存在及方向识别较为准确。在实际工程中，通过合理布置测点的超声波测试，可以对工程岩体中节理裂隙发育的优势方向进行判断，有效地反映岩体结构面的各向异性，为实际工程提供数据资料。     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

Determination and applications of rock quality designation(RQD)

Characterization of rock masses and evaluation of their mechanical properties are important and challenging tasks in rock mechanics and rock engineering.Since in many cases rock quality designation(RQD)is the only rock mass classification index available,this paper outlines the key aspects on determination of RQD and evaluates the empirical methods based on RQD for determining the deformation modulus and unconfined compressive strength of rock masses.First,various methods for determining RQD are presented and the effects of different factors on determination of RQD are highlighted.Then,the empirical methods based on RQD for determining the deformation modulus and unconfined compressive strength of rock masses are briefly reviewed.Finally,the empirical methods based on RQD are used to determine the deformation modulus and unconfined compressive strength of rock masses at five different sites including 13 cases,and the results are compared with those obtained by other empirical methods based on rock mass classification indices such as rock mass rating(RMR),Q-system(Q) and geological strength index(GSI).It is shown that the empirical methods based on RQD tend to give deformation modulus values close to the lower bound(conservative) and unconfined compressive strength values in the middle of the corresponding values from different empirical methods based on RMR,Q and GSI.The empirical methods based on RQD provide a convenient way for estimating the mechanical properties of rock masses but,whenever possible,they should be used together with other empirical methods based on RMR,Q and GSI.