基于矿物结构与钻探的花岗岩地质强度指标研究及应用

 受Hoek对泥砂岩地质强度指标(GSI)图研究的启发,在野外工作和室内试验的基础上,尝试建立一个基于矿物结构与钻探的花岗岩GSI量化取值图：(1) 该图引进岩石矿物结构、完整岩芯长度、节理条件等参数来对GSI取值进行量化;(2) 用典型完整岩芯照片代替GSI取值图里岩体结构的素描图,并结合野外岩芯RQD、采芯率、岩体结构等特征对该照片进行描述。根据Hoek-Brown准则,利用该GSI图计算出花岗岩的弹性模量E,其与勘察单位给出的E值最小误差为0.11 GPa,说明该图具有一定的科学性,可用于钻探的场地花岗岩体力学参数估算。     

基于钻孔岩芯的RQD_I值获取泥岩地质强度指标(GSI)的方法应用研究

地质强度指标(GSI)是Hoek-Brown准则中重要的参数,其值主要是根据岩体结构和节理条件获取。在工程实践中,由于缺乏可具体量测的典型参数,GSI的取值主观性很强。在Hoek的GSI计算公式的基础上,基于对地铁勘察中钻孔岩芯的描述,引入RQD_I值确定岩体结构,并结合节理的粗糙程度和蚀变程度,建立一个新的GSI值计算公式。根据Hoek-Brown准则,利用该GSI值计算出泥岩的变形模量E_m,结果与勘察单位给出的建议值很接近,说明该方法具有一定的可行性。     

一种确定节理岩体残余强度参数方法的探讨

 岩体的地质强度指标(GSI)集中考虑岩体结构和结构面表面特征2个方面的因素,已被广泛地应用于岩体强度参数与变形参数的计算中。在GSI系统的基础上,采用残余GSI量化评价方法,通过对峰值地质强度指标GSI进行折减,以得到残余地质强度指标 ,据此来计算节理岩体的残余强度参数。首先,结合岩体分类指标法(RMi),在 和 的基础上探讨残余岩块体积 和残余节理条件系数 取值的确定方法;然后,由 和 计算出 ,据广义Hoek-Brown准则计算出节理岩体的残余强度参数,重点对4种典型岩体的残余强度取值进行分析,讨论残余岩体体积对岩体残余强度参数的影响;最后,通过对岩体原位剪切实验数据和一桥墩承台开挖边坡的稳定性反分析,证实基于 指标的节理岩体残余强度参数确定方法的合理性和可靠性,为节理岩体残余强度参数的确定提供一条新的思路。     

大体积节理化岩体强度与力学参数

节理化岩体强度与力学参数可根据Hoek-Brown准则进行估计。然而，推广之后的Hock-Brown准则确定地质强度指标GSI时对岩体结构的划分缺乏定量的描述。当评价大体积节理化岩体的地质强度指标GSI时，为使大体积节理化岩体结构的描述定量化，引入Jv(节理数／m^3)。通过算例，说明了应用这一方法的具体过程，这为大体积节理化岩体强度与力学参数的估计提供了新的简便、经济、实用的方法。     

基于Hoek-Brown准则的山岭隧道围岩力学参数估计

将围岩岩体分级系统(Q系统)引入到Hoek-Brown强度准则中,引入节理粗糙度、节理充填物的抗剪强度及岩石所受应力3个指标,对地质强度指标(GSI)进行定量化修正,并基于围岩基本质量指标BQ、裂隙组数、围岩节理条件以及Q系统评分值,重新构建一种GSI的定量化分析方法,通过测量扰动前后围岩的纵波波速优化岩体的扰动参数D。基于修正后的Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则进行等效转化,估算岩体的力学参数,通过与实例工程中试验结果进行对比,得知此方法是合理、可行的。     

基于GSI的Hoek-Brown强度准则定量化研究

对Hoek-Brown准则中地质强度指标GSI评分表格进行定量化研究。构建新的GSI量化取值表格,新的量化取值表格解决了岩体体积节理数不能精确确定的问题,并以岩体完整性系数替换岩块体积来解决对岩体完整性合理的定量化取值问题。该表格也采用了区间数理论来表示地质强度指标GSI的不确定性,更为符合现场岩体力学参数取值的实际情况,考虑了野外现场试验资料选择性获取的可操作性,多指标联合确定GSI的最终交集,确保了GSI定量化取值的合理性,为根据室内岩石力学试验合理获取野外岩体力学参数提供了理论依据和过渡的桥梁。     

基于纵波波速的块状岩体GSI系统

 为减少目前GSI系统对现场地质观察的依赖程度,降低其应用难度,且使其能更加准确地反映一定深度范围内的岩体特性,根据现有研究成果与GSI系统输入参数的定性、定量对应关系,建立基于纵波波速的GSI系统,据此获得大岗山坝区岩体的GSI,通过对比分析此结果与经验公式的结果及基于GSI的岩体变形模量的预测值与实测值的分布规律及其相关性,探讨了将岩体完整系数和岩石风化程度系数作为GSI系统输入参数的可行性。结果表明：基于岩体完整系数和岩石风化程度系数的GSI系统基本可行;风化程度输入参数采用风化岩石与未风化岩石的波速比平方较为合理;岩体完整系数和岩石风化程度系数丰富了GSI系统的输入参数。     

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。     

岩体非线性特征描述的数值实现及其试验验证

为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体特征,提出了Hoek-Brown非线性破坏准则的数值实现方法,并对岩体进行了三轴压缩试验的数值模拟,验证了数值计算方法的可靠性,分析了非线性破坏准则中各参数对剪切强度参数的影响.结果表明:通过理论推导可确定Mohr-Coulomb准则中的剪切强度参数与Hoek-Brown准则参数之间的关系;随着地质强度指标GSI的增大,岩体的剪切强度参数c和φ均不断增大,粘结力较内摩擦角对岩体地质强度指标的变化更加敏感;二者随完整岩石的岩体常数mi的变化幅度均不大,地质强度指标GSI对岩体强度的影响大于mi.     

节理岩体的弹性模型

本文认为受多向节理切割的岩体是一种近似各向异性的、连续的弹性介质,探讨了成层(单向)、双向和多向节理岩体弹性关系的表示,这种表示基于节理材料和完整岩体的弹性常数及节理的产状参数。     

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。     

剪胀对地下工程岩体位移的影响——以加拿大Donkin-Morien隧道为例

根据建立的岩石剪胀角模型,分析岩石峰值内摩擦角和剪胀角的关系,得出岩石在零围压时的峰值剪胀角小于并近似等于峰值内摩擦角,并假设岩石和岩体的剪胀角遵循相似的变化趋势,结合Hoek-Brown强度准则和GSI岩体分级系统,实现剪胀角模型从完整岩石到岩体的转化。采用程序语言在FLAC3D中编写岩体剪胀角模型程序模块。以加拿大Donkin-Morien隧道为工程实例,研究围压和塑性剪切应变依赖的岩体剪胀对隧道渐进开挖过程中围岩位移的影响,论证恒定的剪胀角值不能准确表达隧道开挖边界附近的岩体位移,而考虑围压和塑性剪切应变为影响因素的岩体剪胀角模型能够合理描述围岩的位移分布,模拟结果与实际测量值具有很好的一致性。研究成果可为岩体非线性力学行为的研究和地下工程岩体的稳定性控制提供理论和实践基础。     

Modifications to the GSI for granite in drilling

The Geological Strength Index (GSI) is widely used to estimate mechanical parameters of rock mass, but estimation of GSI is relatively subjective because of the lack of quantitative parameters. Hence, the existing method for estimating GSI is not suitable for rock samples from drilled cores. Inspired by the GSI estimation method of flysch (Marinos and Hoke, Proceedings of the GeoEng2000 at the international conference on geotechnical and geological engineering, Melbourne, Technomic publishers, Lancaster, pp 1422–1446, 2000), this paper proposes two parameters, the rock mineral condition and rock core length, for use in a modified, more quantitative method for estimating GSI. This modified method can be used for granite specimens from drilled cores. It uses images of typical core samples instead of the sketches given by Hoek’s GSI estimation method. A modified chart of GSI for granite, which is suitable for estimating mechanical parameters of rock mass from drilled core samples, is then developed. The E (elastic modulus) and Q _ult (ultimate bearing capacity) values obtained using our modified method were compared with those from experimental data; the results indicate that the modified method can produce reasonable GSI values and can be used to estimate the mechanical parameters of rock mass from drilled cores.     

基于GSI系统的岩体变形模量取值及应用

 在分析岩体的变形特性时,岩体变形模量是一个非常重要的参数,一般要通过现场试验来确定。但利用现场试验直接确定岩体变形模量时,具有时间长、代价高以及试验结果可靠性差等缺点。E. Hoek利用地质强度指标GSI,通过大量现场试验数据的分析研究,建立一种新的估算岩体变形模量的公式。分析这种最新计算岩体变形模量的方法,并通过对岩体结构特征和结构面表面特征的定量描述,对GSI系统进行量化取值,特别对岩体体积节理数Jv的取值进行深入分析。最后通过实际工程的运用,研究应用这一方法的具体过程。最后通过与现场试验结果进行对比,分析这一方法的合理性。     

Influence of degree of interlock on confined strength of jointed hard rock masses

The strength of jointed rock mass is strongly controlled by the degree of interlock between its constituent rock blocks. The degree of interlock constrains the kinematic freedom of individual rock blocks to rotate and slide along the block forming joints. The Hoek–Brown (HB) failure criterion and the geological strength index (GSI) were developed based on experiences from mine slopes and tunneling projects in moderately to poorly interlocked jointed rock masses. It has since then been demonstrated that the approach to estimate the HB strength parameters based on the GSI strength scaling equations (called the ‘GSI strength equations’) tends to underestimate the confined peak strength of highly interlocked jointed rock masses (i.e. GSI > 65), where the rock mass is often non-persistently jointed, and the intact rock blocks are strong and brittle. The estimation of the confined strength of such rock masses is relevant when designing mine pillars and abutments at great depths, where the confining pressure is high enough to prevent block rotation and free sliding on block boundaries. In this article, a grain-based distinct element modeling approach is used to simulate jointed rock masses of various degrees of interlock and to investigate the influences of block shape, joint persistence and joint surface condition on the confined peak strengths. The focus is on non-persistently jointed and blocky (persistently jointed) rock masses, consisting of hard and homogeneous rock blocks devoid of any strength degrading defects such as veins. The results from this investigation confirm that the GSI strength equations underestimate the confined strength of highly interlocked and non-persistently jointed rock masses. Moreover, the GSI strength equations are found to be valid to estimate the confined strength of persistently jointed rock masses with smooth and non-dilatant joint surfaces.     

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量方法初探

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量法，是一种与传统测量完全不同的新方法，可以高效率地测量岩体裂隙。基于数字图像处理理论，针对裂隙图像的特点，对这一新方法进行了比较全面地探索，提出了裂隙图像的现场采集方法及其解译路线，重点研究了智能识别方法，并研发了相应的处理软件。按照上述解译路线，应用自编裂隙图像处理软件，对从野外实拍的典型数字裂隙图像进行了试算、分析和总结，初步证明了此解译路线的可行性。