基于廣義Hoek—Brown準(zhǔn)則的節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)折剪計算

2014-11-26 22:00:05程三建張平發(fā)劉欣劉浩張亮

科技與創(chuàng)新 2014年20期

程三建+張平發(fā)+劉欣+劉浩+張亮

摘要：節(jié)理化巖體力學(xué)參數(shù)是礦山工程地質(zhì)和穩(wěn)定性分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般在實驗室通過單軸、三軸試驗只能得到巖石的力學(xué)參數(shù)，無法得到巖體的力學(xué)參數(shù)。目前，利用巖石力學(xué)參數(shù)確定巖體力學(xué)參數(shù)的方法較多，但都過于煩瑣或準(zhǔn)確度不高，急需一種新的簡易確定方法。因此，通過利用基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI法），并結(jié)合相應(yīng)的巖土分析軟件，強(qiáng)度折剪巖石力學(xué)參數(shù)值，從而得到巖體的力學(xué)參數(shù)。通過將該方法應(yīng)用于赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司巖體力學(xué)參數(shù)的計算中，證明采用該方法考慮巖體的結(jié)構(gòu)面和完整性，可較為準(zhǔn)確地反映節(jié)理化巖體的力學(xué)特性，且方便可行，具有工程實用價值。

關(guān)鍵詞：礦山工程；廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則；GSI法；巖體力學(xué)參數(shù)

中圖分類號：TU457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）20-0102-03

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則是Hoek等人根據(jù)巖石特性的理論和實踐經(jīng)驗總結(jié)提出的巖石和巖體破壞時的判據(jù)。由于其考慮了巖體的結(jié)構(gòu)、巖石強(qiáng)度和所受應(yīng)力狀態(tài)等綜合因素，目前，該準(zhǔn)則已在巖土工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

節(jié)理化巖體力學(xué)參數(shù)是礦山工程地質(zhì)和穩(wěn)定性分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是影響礦山設(shè)計、施工的重要因素和指標(biāo)。由于節(jié)理化巖體含有節(jié)理裂隙，導(dǎo)致試件不合理或試件尺寸不符，因此，很難確定節(jié)理化巖體的力學(xué)參數(shù)。然而，廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則提出了一種確定節(jié)理化巖體力學(xué)參數(shù)的新方法——地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI法（Geological Strength Index），這是一條簡單而經(jīng)濟(jì)的新途徑。GSI值的確定也為巖體穩(wěn)定性強(qiáng)度折減提供了數(shù)據(jù)來源。

巖體的抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)也可以利用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則計算，但都較為煩瑣。本文基于廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用GSI法，更加方便、快捷地將巖石的內(nèi)聚力c值、內(nèi)摩擦角φ值轉(zhuǎn)化為巖體的c值、φ值，使其更方便于工程應(yīng)用。

1 廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則

Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則最初適用于估算完整、堅硬的巖體的力學(xué)參數(shù)，是半經(jīng)驗強(qiáng)度準(zhǔn)則。2002年，Hoek等人針對最初的強(qiáng)度準(zhǔn)則在實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖石強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，并進(jìn)行了修正，得出了巖體破壞的經(jīng)驗準(zhǔn)則，稱之為“廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則”，并給出了各類巖體經(jīng)驗參數(shù)值。其表達(dá)式為：

2 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)

地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）是Hoek等人在1994年提出的一種新的巖體分級系統(tǒng)，GSI系統(tǒng)是專門用于解釋不連續(xù)面或節(jié)理的巖體性質(zhì)而開發(fā)的一種方法，這些巖體性質(zhì)影響著巖體的強(qiáng)度和變形。國外巖土工程界廣泛運(yùn)用該方法估算隧道、地下硐室和邊坡巖體的強(qiáng)度等參數(shù)和穩(wěn)定性。

研究表明，節(jié)理巖體強(qiáng)度取決于完整巖塊的性質(zhì)和施加一系列應(yīng)力條件下這些巖塊表面上的滑移和旋轉(zhuǎn)的自由度。這種自由度不僅取決于完整巖塊的形狀，也取決于表面分離自由度的情況。GSI系統(tǒng)試圖解釋巖體的這2種特征。巖體的塊度、級別、連鎖反應(yīng)和不連續(xù)表面的條件共同描述了巖體的結(jié)構(gòu)。巖體的GSI值根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征和結(jié)構(gòu)面表面條件估算。參考表1并結(jié)合一些經(jīng)驗，就可以得到巖體的GSI值。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司二礦區(qū)的圍巖主要有閃長玢巖、結(jié)晶灰?guī)r、閃長巖和石英斑巖等，礦山經(jīng)過30多年的開采，遺留下大量的采空區(qū)，準(zhǔn)確獲取礦山圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)和提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析等有重要的現(xiàn)實意義。

3.2 現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查

分別對赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司二礦區(qū)950 m中段和900 m中段進(jìn)行了調(diào)查評估，共計描述和測量了100余條節(jié)理裂隙特征，詳細(xì)記錄了調(diào)查面的風(fēng)化、粗糙程度，并參照表1評估了GSI值，評估結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

利用工程地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)三軸試驗可以得到節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)計算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，簡單易行；利用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，綜合考慮了影響巖體力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的性質(zhì)，可以比較精確地確定節(jié)理化巖體的力學(xué)參數(shù)。基于此方法，可以方便、快捷地將巖石的c值、φ值轉(zhuǎn)化為巖體的c值、φ值。

參考文獻(xiàn)

[1]Hoek E，Brown ET.Underground excavations in rock[M]. London：Institution of Mining and Metallurgy，1980.

[2]Hoek E，Brown ET.The Hoek-Brown failure criterion-a 1988 update[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts，1990，27（03）：138.

[3]Hoek E，Wood D，Shah S.A modified Hoek-Brown criterion for jointed rock masses[G]//Proc.Rock Characterization，Symp.Int.Soc.Rock.Mech.，Eurock 92.London：Brit Geotech. Soc.，1992：209-214.

[4]Hoek E.Strength of rock and rock masses[J].ISRM News Journal，1994，2（02）：4-16.

[5]Hoek E，Brown E T.Strenth of jointed rock masses[J]. Geotechnique，1983，33（03）：187-223.

[6]朱志明，章廣成，朱嬌燕，等.基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則的巖體等效強(qiáng)度[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012，40（04）：52-55.

[7]韓現(xiàn)民，李曉，王紅霞.基于GSI的節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)評價[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（01）：19-21.

[8]Hoek E，Carranza-Torres C，Corkum B. Hoek-Brown failure criterion[G]//Proceedings of NARMS-TAC Conference. Toronto：University of Toronto Press，2002：267-273.

[9]李遠(yuǎn)耀，殷坤龍，代云霞.基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則強(qiáng)度折減法的巖坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2008（S1）：347-352.

[10]韓鳳山.節(jié)理化巖體強(qiáng)度與力學(xué)參數(shù)估計的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI法[J].大連大學(xué)學(xué)報，2007，28（06）：48-51.

[11]汪亦顯，曹平.堅硬節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)的確定方法[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26（S2）：13-15.

[12]林杭，曹平，李江騰，等.基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則的邊坡安全系數(shù)間接解法[J].煤炭學(xué)報，2008，33（10）：1147-1151.

[13]匡波，付宏淵，付傳飛，等.基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則的節(jié)理巖質(zhì)邊坡可靠性分析[J].中外公路，2009，29（06）：58-61.

[14]吳順川，金愛兵，高永濤.基干廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則的邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減法數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（11）：1975-1980.

[15]胡盛明，胡修文.基于量化的GSI系統(tǒng)和Hoek-Brown準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)的估計[J].巖土力學(xué)，2011，32（03）：861-866.

[16]蘇永華，封立志，李志勇，等.Hoek-Brown準(zhǔn)則中確定地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)因素的量化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（04）：679-686.

[17]李彥恒，馮利，羅立平.基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的巖體分級法在地下工程中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2012，33（S2）：201-204.

[18]宋琨，晏鄂川，毛偉，等.廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則中強(qiáng)度折減系數(shù)的確定[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（01）：106-112.

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作者簡介：程三建（1990—），男，碩士研究生，現(xiàn)從事巖石力學(xué)與工程方面的研究。

〔編輯：張思楠〕