岩体力学特性及其参数确定

关于岩体力学特性及其参数确定第1页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体的力学特性

岩体破坏可以分为脆性破坏和塑性破坏两种形式。由于岩体赋存环境的变异性，不能期望得到岩体参数的精确值，只能通过实验室试验或通过对岩体宏观特性的统计分析来预测或估算岩体强度和变形的可能范围。经过试验对比，一般都认为诸如弹性模量、粘聚力和抗拉强度等煤岩体力学性质的参数取值往往只有煤岩块相应参数值的1／5~1／3，有的差别可能更大，比值达到1／20～1／10，而煤岩体的泊松比一般为煤岩块泊松比的1．2～1.4倍。第2页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体的力学特性

岩石的力学特性是通过实验室的三轴压缩试验获得的，实验室三轴压缩试验可分为常规试验和真三轴试验，其中常规三轴试验是在径向压力(围压)σr(σr=σ2=σ3)不变的情况下，增加轴向压力σ1直到岩石试件破坏，得到某一围压作用下的应力-应变曲线，通过改变围压大小，得到一组不同围压作用下的全应力-应变曲线。而真三轴压缩试验是在不同的侧压作用下，即σ2≠σ3时，获得的全应力一应变曲线。第3页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体的力学特性一、岩石单轴压缩试验图5-1不同岩性岩石单轴压缩试验的全应力-应变曲线(a)泥岩；(b)砂质页岩；(c)细砂岩；(d)中砂岩第4页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体的力学特性二、岩石三轴压缩试验图5-2岩石全应力-应变曲线及体积应变曲线(a)应力-应变曲线；(b)体积应变曲线

大量的岩石三轴试验表明：岩石的塑性软化特性和剪胀性是岩石材料的特有性质，研究煤矿巷道围岩稳定性时，尤其要充分考虑这两大特性。第5页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体力学参数的合理确定一、描述岩体力学特性的参数

岩石的力学参数是通过实验室三轴压缩试验获得的，主要包括杨氏模量E、材料的泊松比μ、抗拉强度σt、体积力γ、粘聚力C、内摩擦角、剪胀角ψ等。

在岩土工程中，一般常用粘聚力和内摩擦角描述岩石的力学特性。本文从工程实用的角度出发，根据粘聚力和内摩擦角的概念，引入广义粘聚力、广义内摩擦角和广义剪胀角，以此描述岩体的力学特性。

第6页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三

根据库仑准则τ=C+σtan，τ是C和tan的线性函数，可以通过弱化C和tan来描述岩石的峰后软化特性。根据实验室试验，假设C和tan服从软化规律：岩体力学参数的合理确定一、描述岩体力学特性的参数式中rp——广义塑性应变偏量，

εijp——塑性应变偏量。

令

，则上式变为：

第7页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体力学参数的合理确定一、描述岩体力学特性的参数式中C——瞬时广义粘聚力；

—瞬时广义内摩擦角；

Co——峰值广义粘聚力；o——峰值广义内摩擦角；

Cm——残余广义粘聚力；m——残余广义内摩擦角；rc----广义粘聚力软化系数，反映了广义粘聚力的软化程度；

r——广义内摩擦角软化系数，反映了广义内摩擦角的软化程度；

bc——广义粘聚力软化常数，反映了广义粘聚力的软化速度；

b——广义内摩擦角软化常数，反映了广义内摩擦角的软化速度。rc、r、bc、b均为围压的函数。第8页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体力学参数的合理确定二、确定岩体的体积模量K和剪切模量G杨氏模量E和泊松比μ是表征材料力学属性的两个重要参数。但在一些情况下，E和μ并不能十分有效地反映材料的力学行为，如变形等。因此在一些数值模拟软件中(如FLAC和UDEC)，一般采用体积模量K和剪切模量G。K和G均由杨氏模量E和泊松比μ转化而来，它们的关系如下：

需要注意，当μ接近0．5时，K可能会趋于无穷大，此时不能盲目地进行计算，应根据力学试验或P波波速进行估算。

第9页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体力学参数的合理确定二、确定岩体的体积模量K和剪切模量G

此外，岩体的剪切模量还可由下式获得：式中G——岩体剪切模量；

Gr——完整岩石剪切模量；

Ks——节理剪切刚度；

s——节理间距。第10页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体力学参数的合理确定三、岩体变形模量的确定

(1)岩体的变形特性一般由变形模量Em来表征，如果岩体包含一组相对平行、连续并具均匀间距的节理时，可以将岩体视为等价的横观各向同性连续体，由下式进行岩体变形模量的估计：式中Em——岩体杨氏模量；

Er——完整岩石杨氏模量；

Kn——节理法向刚度；

S——节理间距。第11页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体力学参数的合理确定三、岩体变形模量的确定实际上岩体的结构面网络十分不规则，利用上述方法很难获得足够有效的数据。此时Em与成组岩体结构面的几何力学性质有关，包括结构面组数m、各组结构面产状nl、法线密度λ和平均半径a、各组面的抗剪强度及受力状态(k与h)以及裂瞧水压力比及R。则Em可以写作如下两式：第12页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法Hoek-Brown强度准则是Hoek等人在参考Griffith经典强度理论的基础上,通过大量试验,于1980年提出的岩体非线性破坏经验准则。其适用于法向拉力下的Griffith准则和法向压力下的破坏条件,用抛物线来拟合破坏时的实测数据,提出了用于确定开挖岩体强度的经验准则,后来为了适应不同应力条件、不同质量的岩体和方便工程应用,做了进一步的修正,提出了基于GSI(地质强度指标)的Hoek-Brown(2002)准则。其公式为:第13页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法式中,σ1、σ3

分别为岩体破坏时的最大和最小主应力;σci为岩石的单轴抗压强度;mb是完整岩石岩性系数mi的消减值,具体取值由式(2)确定;s和a与岩体特性有关的材料常数,取值为0~1,对完整岩石,s=1,s和a的取值由式(3)和式(4)分别确定。第14页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法GSI(地质强度指标)表征岩体破碎程度以及岩块镶嵌结构;mi是完整岩石的岩性系数;D是岩体遭受破坏和应力释放而引起扰动程度的一个衡量因子。当式(1)中σ1=0时,岩体单轴抗压强度为:基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第15页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法通过上述分析可知,根据Hoek-Brown准则,计算岩体力学参数需要确定以下因素指标:完整岩石的单轴抗压强度σci、地质强度指标GSI、完整岩石的岩性系数mi和岩体扰动因素衡量因子D。σci一般通过实验室试验得出,或者根据现场条件通过点载荷试验等方法确定。mi的取值与岩石类型及特性有关,取值为1~50,具体根据表1来确定。基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第16页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法岩体扰动因素衡量因子D需要根据岩体工程所受的扰动程度来确定,完整岩体中未遭受扰动时取值为0,受到强烈扰动时取值为1,即D=0~1。基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第17页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第18页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法GSI根据岩体所处的地质环境、岩体结构特性和表面特性来确定。但以往在岩体结构的描述或岩体结构的形态描述中缺乏定量化,难以准确确定岩体的GSI值。为使其描述定量化,引入岩体质量RMR分级法定量确定岩体质量等级。根据Z.T.Bieniawski研究认为,修正后的RMR指标值与GSI值具有等效关系,确定修正后的RMR指标值,即得出GSI值。基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第19页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法RMR分级方法是采用多因素得分,然后求其代数和(RMR值)来评价岩体质量。参与评分的6因素是:岩石单轴抗压强度;岩石质量指标RQD;节理间距;节理性状;地下水状态;节理产状与巷道轴线的关系。在1989年的修正版中,不但对评分标准进行了修正,而且对第4项因素进行了详细分解,即节理性状包括:节理长度;间隙;粗糙度;充填物性质和厚度;风化程度。基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第20页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体参数的确定方法岩体参数的确定方法多种多样，本着参数选择合理和易于获取的原则，我们对如下方法进行探讨：室内试验、位移反分析、现场试验、现场工程地质调查和室内计算。1．1室内试验这种方法应用最多，工程界最熟悉。主要有：通过岩体的单轴压缩试验确定岩体的单轴抗压强度，弹性模量和泊松比。通过岩体的三轴压缩试验确定岩体的抗剪强度——内聚力和摩擦角。通过岩体卸围压试验研究岩体卸荷过程中的变形和能量变化特点，确定卸载时岩体的参数，如弹模、泊松比、内聚力、摩擦角。基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第21页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体参数的确定方法1．2位移反分析位移反分析方法是根据现场实测的位移值，计算地应力和材料性质等参数，可采用解析法、有限元等方法以及弹性、弹塑性等本构模型进行求解。而位移反分析的方法主要分为两类：直接逼近法和逆过程法。由于围岩本构关系的复杂性，目前的逆过程方法的位移反分析研究计算大都采用了线弹性等假设，这样就与工程实际情况相去甚远。基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第22页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体参数的确定方法1．3现场原位试验1)岩体抗剪试验。

采用平推法直剪试验。先开挖一长X宽×高=3mX1．5mx1．5m的试验洞，在试验洞开挖以后，清除洞底受扰动岩体，在预定试验部位手工刻凿方形试体，试体边长不小于50cm，高度不小于33cm，试体表面及周围岩面应修凿平整。试体加工完成后浇筑加筋混凝土保护套，保护套边长50cnl，高30cm，其下部预留1．5cm的剪切缝。在保护套养护10d后即可进行试验。2)岩体变形试验。

采用刚性承压板法进行试验，承压板直径45cm。加压方式采用逐级一次循环法。试点加工人工刻凿，试验面直径不小于70cm。试验面起伏差应小于5rnm。基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法第23页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三岩体参数的确定方法1．4现场工程地质调查和室内计算结合确定岩体力学参数通过现场工程地质调查，对隧道侧壁和掌子面进行地质素描，量测岩体的RQD值、不连续面间距，记录不连续面状况(包括张开度、粗糙度、填充物等)，以及岩体的赋存环境——地下水情况、地应力水平。根据岩体地质力学分类体系，对岩体的每一项指标(岩块的单轴抗压强度、RQD值、不连续面间距、不连续面状况、地下水状况)进行打分，分别确定出岩体在干燥状态下的RMR值(RMRi~y)