岩体变形参数确定的经验方法研究

在岩体工程变形分析和稳定性评价时,确定合理的岩体变形模量至关重要。现场试验可直接确定岩体的变形模量,获取的数据相对可靠,但是所需周期长、费用高,当现场试验受到各种制约条件而无法进行时,通过工程岩体分级指标估算岩体变形参数的经验方法,不失为一种经济实惠的选择。目前,国外已有大量学者通过对岩体分级方法的研究,得到了相应的岩体变形参数计算的经验公式,但在国内相关研究的开展则较少。《工程岩体分级标准》是我国岩体分级的国家标准,自1994年颁布以来,在国内岩土工程界得到了广泛的应用,但基于此分级方法来进行岩体变形参数估算方面的研究则相对较少,因此研究基于国标工程岩体分级指标预测岩体变形参数的经验公式具有广泛的应用价值。通过参考国外节理岩体变形模量的经验确定方法,吸取了相关的经验和成果,在搜集国内大型水利水电工程现场试验成果与工程岩体分级指标等相关成果基础上,结合数理统计原理,通过相关性分析,得到基于国标《工程岩体分级标准》BQ值估算岩体变形模量的经验公式。为提高预测岩体变形参数的准确性,通过对实测数据统计分析,得到了根据BQ指标、岩块弹性模量Ei估算岩体变形模量经验公式,并经三峡工程现场变形试验数据验证了该经验公式的可行性。上述研究成果为通过BQ指标估算岩体变形模量提供了一条合理的量化途径。     

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。     

层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟

由于层状复合岩体软硬相间，不满足均匀、连续和各向同性条件，因此，通过现场试验方法确定层状复合岩体等效变形模量会存在许多问题，尺寸效应即是主要问题之一。结合清江水布垭水利枢纽地下厂房P1q^3层软硬相间层状复合岩体力学参数取值问题，在现场岩体变形试验基础上，通过开展数值模拟试验，研究了不同加载尺寸对层状复合岩体变形参数的影响。研究成果表明：层状复合岩体变形模量具有明显的尺寸效应，岩体变形模量与加载面直径之间可近似采用负幂函数表示：E=7．989D^-0.552常规变形试验加载尺寸明显偏小，当加载面直径应达到3～5m，岩体等效变形模量取值3～4Gpa，比常规试验降低70％左右。     

基于钻孔测试的岩体抗剪强度参数取值方法及其工程应用

针对岩体抗剪强度参数取值问题,提出一种利用钻孔测试成果获取岩体抗剪强度参数新方法和新途径。该方法首先建立岩体地质强度指标GSI值与岩体基本质量指标BQ值、岩块饱和单轴抗压强度、岩块天然纵波波速的数学关系式,而后采用钻孔电视对钻孔岩体进行分段。在此基础上,利用钻孔声波和室内岩芯试验等测试成果计算得出相应岩段的BQ值及GSI值。最后,运用Hoek-Brown强度准则,得到每段岩体的抗剪强度参数。经工程应用并对比现场岩体剪切试验结果,本方法在确定岩体抗剪强度参数上具有较好的可靠性。     

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。     

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。     

基于区间理论与GSI的岩质边坡稳定可靠性分析方法

针对采用结构面表面特征与岩体结构的定性描述确定岩体地质强度指标GSI存在较强主观性的特点,首先以结构面表面等级SCR与岩体结构等级SR对其进行量化处理,并根据组成SCR与SR的量化指标取值过程中所具有的不确定性,采用区间值表示参数取值,建立岩体量化GSI区间值确定方法;其次,根据Hoek-Brown准则等效岩体抗剪强度参数转换关系,采用区间数学理论建立出岩体力学参数区间值确定方法;然后,通过区间组合法求解岩质边坡安全系数区间值,并在确定安全系数要求值的基础上采用非概率可靠性分析方法进行稳定可靠性评价,进而建立出基于区间理论与GSI的岩质边坡稳定可靠性分析方法;最后,将其应用于分析湖南省柘溪水电站进水口高边坡稳定性,结果表明该方法具有一定的合理性与可行性。在缺乏现场岩体力学试验与大量样本数据的情况下,该方法为岩质边坡从岩体力学参数确定到稳定可靠性评价提供了一条新途径。     

基于岩体波速的Hoek-Brown模型GSI指标确定方法

常规的Hoek-Brown模型中地质强度指标GSI采用野外判别方法确定，但该方法受工程师经验影响较大。本文利用岩体波速、GSI与模量的关系，提出了一种采用岩体波速确定Hoek-Brown模型中GSI指标的定量计算方法，并提出了综合施工扰动影响的广义GSI指标。通过与常规方法对比，以及对长沙某项目的岩基载荷试验预测，验证了本文方法的可行性，对Hoek-Brown模型在工程中的广泛应用具有重要意义。     

基于Copula理论岩体质量Q值及波速与变形模量多变量相关性研究

 以锦屏I级水电站坝址大理岩岩体原位变形试验和勘察结果为例,在分析岩体变形模量 、纵波波速 以及岩体质量指标Q值间的两两相关关系的基础上,利用Copula函数能够描述多变量相关性的优点,构造了拟合 , 和Q值间关系的最优Copula函数,并在岩体变形模量估值中进行运用。研究结果表明,三维Clayton Copula函数是拟合岩体波速 ,Q值和变形模量 间相关关系最优Copula函数。利用构造的 - -Q间关系的最优Copula函数求条件概率,可在已知岩体 和Q值条件下计算其他方法对变形模量估值的保证率,或者计算具有一定保证率的岩体变形模量估值,得到具有最优拟合的变形模量估值。该方法建立多因素间的相关关系,使现场试验和勘察的数据得到充分利用,为建立岩体变形模量与岩体参数间相关关系及估值提供一种新的途径。     

三峡永久船闸边坡现场岩体压缩蠕变试验研究

介绍了三峡船闸边坡现场岩体蠕变试验技术,在对试验成果进行整理分析的基础上,重点研究岩体蠕变模型和蠕变参数。在综合分析室内岩块、现场岩体蠕变试验及粘弹性位移反演分析的研究成果后,提出了岩体蠕变参数的取值方法,最后对船闸边坡长期变形量进行了数值模拟分析。     

基于岩芯分级的Hoek-Brown准则参数研究及应用

 地质强度指标(GSI)是Hoek-Brown准则中重要的参数,由于缺乏可具体测量的典型参数,GSI的取值主观性很强。基于工程钻探勘察中对片麻岩岩芯的研究,用野外典型完整岩芯照片和节理面照片代替GSI图里岩体结构的素描图,提出完整岩芯长度指标(RCL)和节理条件(Jc)两参数辅助GSI量化研究;最终建立一个直观的基于岩芯分级的通用GSI图。该GSI图与E. Hoek的方法相比主观误差小,根据该图计算出来的地基极限承载力与地勘单位建议值相比差值很小、精度高,该表可在场地钻探初期岩体力学参数的估算中推广使用。     

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。     

Effects of confinement on rock mass modulus: A synthetic rock mass modelling (SRM) study

The main objective of this paper is to examine the influence of the applied confining stress on the rock mass modulus of moderately jointed rocks (well interlocked undisturbed rock mass with blocks formed by three or less intersecting joints). A synthetic rock mass modelling (SRM) approach is employed to determine the mechanical properties of the rock mass. In this approach, the intact body of rock is represented by the discrete element method (DEM)-Voronoi grains with the ability of simulating the initiation and propagation of microcracks within the intact part of the model. The geometry of the pre-existing joints is generated by employing discrete fracture network (DFN) modelling based on field joint data collected from the Brockville Tunnel using LiDAR scanning. The geometrical characteristics of the simulated joints at a representative sample size are first validated against the field data, and then used to measure the rock quality designation (RQD), joint spacing, areal fracture intensity (P₂₁), and block volumes. These geometrical quantities are used to quantitatively determine a representative range of the geological strength index (GSI). The results show that estimating the GSI using the RQD tends to make a closer estimate of the degree of blockiness that leads to GSI values corresponding to those obtained from direct visual observations of the rock mass conditions in the field. The use of joint spacing and block volume in order to quantify the GSI value range for the studied rock mass suggests a lower range compared to that evaluated in situ. Based on numerical modelling results and laboratory data of rock testing reported in the literature, a semi-empirical equation is proposed that relates the rock mass modulus to confinement as a function of the areal fracture intensity and joint stiffness.     

Assessment of deformation modulus of weak rock masses from pressuremeter tests and seismic surveys

The deformation modulus of intact rock can be determined through standardized laboratory tests for heavily jointed rock masses but this is very difficult, while in situ tests are time-consuming and expensive. In this study, the deformation modulus of selected heavily jointed, sheared and/or blocky, weathered, weak greywacke, andesite and claystone were assessed, based on pressuremeter tests, geo-engineering characterization and seismic surveys. Empirical equations based on GSI and RMR values are proposed to indirectly estimate the deformation modulus of the greywackes. For the andesites, the spacing of the discontinuities is greater than the length of the pressuremeter probe hence the intact rather than rock mass deformation modulus is obtained. The pressuremeter test results from the claystones could not be correlated with the field data; the relationship between the ratio of rock mass modulus to intact rock modulus and RQD appears to give a better estimation of the deformation modulus.      

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。     

三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究

为获得深部岩体的变形模量,在真三轴试验机上,对中等尺寸大理岩试样进行不同侧压下的变形试验,重点对同一试样进行多个等侧压和不等侧压的对比试验。试验表明：(1) 大理岩的变形模量与侧压之间具有显著的非线性关系,且当侧压增大至30 MPa后,变形模量不再随着侧压的增大而显著增大,该侧压值反映了大理岩脱离母岩后的弱化程度;(2) 建立大理岩的变形模量与三向应力之间的关系,用试样所对应部位地应力值计算出深埋大理岩的变形模量为66.7～68.2 GPa;(3) 变形模量计算值与采用其他间接方法获得的变形模量相当,并显著高于常规室内和现场变形试验值。由此说明,深部岩体在释放应力后容易使其力学性质弱化,弱化程度与所处的地应力大小有关。该方法对研究极高～高地应力环境下深部岩体及偏应力较大的边坡的变形特征具有重大意义。     

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.