隧道结构计算中岩石力学参数的工程处理.doc

隧道结构计算中岩石力学参数的工程处理唐 芳(湖南城建职业技术学院， 湖南 湘潭 411101)摘要：工程岩体抗压、抗拉、抗剪强度力学参数的确定是隧道结构计算、设计的基础性工作。一般地，都要对岩体力学参数的室内试验数据进行工程处理，这样才能符合实际岩体工程。文中分析了Hoek-Brown法在隧道岩体抗压、抗拉、抗剪强度力学参数的工程处理，这为力学参数工程处理实践提供参考。关键词：隧道结构，力学参数，工程处理中图分类号： 文献标识码：项目编号：湖南省高等学校科学研究项目（10C0080）作者简介：唐芳（1975），女，湖南慈利人，硕士，副教授，主要从事土木工程力学科研与教学。在岩体工程稳定性分析中，岩体力学参数的选取与实际是否相符，会对计算结果产生重大影响，甚至可能出现不能接受的计算结果。因而，准确确定岩体力学参数的研究一直是岩体力学最困难的研究课题之一。因此，如果将岩块力学参数应用于岩体工程时，必须考虑岩块与岩体之间的差异，必须对参数进行工程处理，以使得结果更接近于现场实际情况1,2。其中，岩体隧道工程的破坏型式主要表现为拉伸和剪切破坏，影响隧道工程稳定性的因素主要有两种：即内在条件和外部触发因素。内在条件主要包括边坡岩体结构、岩性、地形地貌、地质构造、水文地质和地应力等，是岩体破坏发生的基本物质条件；外部触发因素主要包括自重、降雨、地震、外部荷载、隧道掘进等。由于岩体工程的复杂性，各种工程计算和科学研究都依赖试验：包括常规的物理力学参数试验、化学分析试验、渗流流变试验等。其中常规力学参数的确定是任何计算和分析所必备的参量。隧道岩体在力场作用下的性质包括两个方面：岩体的变形特征和强度特征。主要的代表性力学参数包括：岩体变形模量、岩体抗剪强度指标c、值，抗拉和抗压强度等。在研究岩体力学性质的经验折减法中，岩体质量分类起着重要的作用，岩体工程主要的岩体质量分类系统有：RMR系统、Q系统、Hoek-Brown系统等。本文笔者就利用Hoek-Brown系统，对岩体抗压、抗拉、抗剪强度力学参数进行处理，为力学参数工程处理实践提供借鉴。1 岩体抗压强度mc的工程处理Hook-Brown 准则的岩体强度公式为： （1） 公式中：，；1,3为破坏时最大主应力、最小主应力；c为岩块单轴抗压强度；mi ,si为完整岩块的m,s值，完整岩石si=1；m,s岩体力学参数的随机变量。m,s 值的大小取决于岩石的矿物成分、岩体中结构面的发育程度、几何形态、地下水状况及充填物性质等3。根据野外岩体的地质特征和岩体的RMR分类得分与岩体强度参数的关系，就可以估算岩体弱化后的强度参数值。当3 =0 时，可导出弱化后的岩体单轴抗压强度mc为： （2）近年来，Hoek-Brown 准则重新考虑了岩体的地质环境，Hoek-Brown 提出了地质强度指标GSI。推广后的新Hoek-Brown 准则为： （3） （4）式中：1为岩体破坏时的最大主应力；3为岩体破坏时的最小主应力；c为组成岩体完整岩块的单轴抗压强度；mb为岩体的Hoek-Brown常量；mI为组成岩体的完整岩块的Hoek-Brown常数；s,为取决于岩体特性的常数。 GSI25 的岩体： s = exp(GSI -100)/9 = 0.5 （5）GSI25 的岩体： s = 0 = 0.65- GIS/200 （6）GSI 为岩体的地质强度指标。然而，由Hoek-Brown 所定义的岩体地质强度指标 GSI确定岩体结构的划分时，岩体结构的描述缺乏定量化。即使在岩体结构的一种形态描述中，由于缺乏定量化，难以细定岩体地质强度指标GSI。为使岩体结构的描述定量化，引入岩体参数Jv(节理数/m3)。Jv与 Hoek-Brown 岩体结构特征的对应关系如下表5-2所示。据此，由大体积节理化岩体的 Jv可细定节理化岩体的地质强度指标 GSI。补充之后的 Hoek-Brown 地质强度指标 GSI 见文献4 表3的Hoek-Brown 地质强度指标 GSI 岩体结构定量描述的修正。当使用表中参考值，评价岩体的地质强度指标 GSI 时，可由岩体的结构特征Jv和表面条件与表的斜线相交，就可确定该岩体的地质强度指标 GSI。2 岩体抗拉强度mt的工程处理由Hook-Brown 准则知，若1=0，可得弱化后的岩体单轴抗拉强度mt为： （7） （8） （9）公式中：1,3为破坏时最大主应力、最小主应力；c为岩块单轴抗压强度；mi ,si为完整岩块的m,s值；m,s为岩体力学参数的随机变量5。3 岩体抗剪切强度cm，m的工程处理由Hook-Brown 准则知，在RMR系统中，岩体抗压强度和抗拉强度可以用下式表示6： （10） （11）可以推出岩体粘结力为： （12）岩体的摩擦角m为： （13）4 结论由于隧道岩体是由结构面和结构体构成的复杂体，使得隧道岩体力学特性复杂多变，存在显著的结构面效应，且力学性质和变形特征存在非线性、各向异性和流变性等，因此隧道岩体力学参数，特别是复杂隧道结构计算中岩体力学参数的准确确定就变得复杂和困难，如何准确合理地得到岩体计算力学参数是进行隧道工程设计和稳定性分析工作的重中之重。参考文献1 何满潮.薛廷河.彭延飞.工程岩体力学参数确定方法的研究J.岩石力学与工程学报.2004.3：225-2292 黄修云.魏莉萍.乔春生.张清.隧道岩石力学参数的随机模糊统计分析J.北方交通大学学报.1999.2（23.1）38-413 刘 春.黄麦岭磷矿边坡岩体抗剪强度参数的随机模糊法取值研究J.岩石力学与工程学报.2005.2（4）:653-656.4 韩凤山. 大体积节理化岩体强度与力学参数J. 岩石力学与工程学报, 200423(5)：77