巖體工程力學(xué)參數(shù)取值方法研究Ⅰ：原位試驗(yàn)與定量類比

汪小剛

(流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 研究背景

合理確定巖體工程力學(xué)參數(shù)是巖土工程中開展其它一切工作的前提和基礎(chǔ)，直接關(guān)系到工程的經(jīng)濟(jì)和安全。作為經(jīng)受長期地質(zhì)作用的自然產(chǎn)物，巖體是由大量不連續(xù)結(jié)構(gòu)面(如：斷層、節(jié)理、層理、裂隙等)相互切割形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征使得巖體工程力學(xué)性參數(shù)的確定變得十分困難[1-3]。

目前，巖體工程力學(xué)參數(shù)確定方法主要包括物理試驗(yàn)方法、經(jīng)驗(yàn)類比方法和數(shù)值試驗(yàn)方法三類。物理試驗(yàn)方法是確定巖體工程力學(xué)參數(shù)最直接的方法，但由于受試驗(yàn)條件、試樣尺寸、試樣數(shù)量和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等限制，通過少量現(xiàn)場試驗(yàn)和一定數(shù)量的小尺寸室內(nèi)試驗(yàn)，很難獲得滿足工程需求的巖體力學(xué)參數(shù)[4-7]；經(jīng)驗(yàn)類比方法是目前確定巖體工程力學(xué)參數(shù)最常用的方法，但這類方法缺少嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)和科學(xué)合理的定量依據(jù)，帶有很強(qiáng)的人為主觀性[8-9]；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值仿真方法的進(jìn)步，數(shù)值仿真試驗(yàn)為確定巖體工程力學(xué)參數(shù)提供了一條新的途徑，但該類方法尚處于探索階段，離實(shí)際工程應(yīng)用還有較大距離[10-11]。因此對巖體工程力學(xué)參數(shù)確定方法的研究，一直是工程界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

針對巖體工程力學(xué)參數(shù)合理確定的難題，從原位試驗(yàn)技術(shù)、定量類比方法和數(shù)值仿真試驗(yàn)三個(gè)方面開展了系統(tǒng)研究，形成了包含“一設(shè)備、一庫、一平臺”綜合確定巖體工程力學(xué)參數(shù)的方法體系，如圖1所示。

圖1 確定巖體工程力學(xué)參數(shù)的方法體系

本文研發(fā)了巖體質(zhì)量隨鉆測試和巖體力學(xué)參數(shù)原位試驗(yàn)的設(shè)備和技術(shù)，為通過原位試驗(yàn)快速獲取巖體工程力學(xué)特性參數(shù)提供了新的手段；同時(shí)，提出了基于大樣本巖體力學(xué)試驗(yàn)資料和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論確定巖體力學(xué)參數(shù)的定量類比法，使工程中常用的經(jīng)驗(yàn)類比法具備了更為嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)。

2 巖體參數(shù)隨鉆測試和孔內(nèi)原位試驗(yàn)技術(shù)

為解決現(xiàn)階段巖石試驗(yàn)尺寸小、數(shù)量少、代

表性差等難題，研制了利用常規(guī)地質(zhì)鉆孔開展巖體原位試驗(yàn)的設(shè)備(巖體參數(shù)隨鉆測試設(shè)備和孔內(nèi)巖體力學(xué)原位試驗(yàn)設(shè)備)以及相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)。

2.1 巖體參數(shù)隨鉆測試設(shè)備和技術(shù)巖體參數(shù)隨鉆測試設(shè)備由地質(zhì)鉆機(jī)以及加裝在鉆機(jī)上的壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器和激光位移傳感器等組成，如圖2所示。在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，可實(shí)時(shí)獲取鉆進(jìn)壓力、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)扭矩、鉆進(jìn)速度等鉆進(jìn)參數(shù)。通過對隨鉆實(shí)時(shí)鉆進(jìn)參數(shù)與巖層相關(guān)性的分析來獲取巖體完整性、單軸抗壓強(qiáng)度和耐磨性等工程特性指標(biāo)[12-14]。

圖2 新型巖體質(zhì)量隨鉆檢測設(shè)備

(1)利用鉆進(jìn)過程指數(shù)確定巖體完整性。以往研究通常采用鉆進(jìn)速度(V)來描述巖體質(zhì)量，但大量隨鉆實(shí)測資料表明，即使在同一巖層中鉆進(jìn)速度(V)還會(huì)受到鉆進(jìn)壓力(F)和鉆桿轉(zhuǎn)速(N)的影響(圖3(a))。為此，提出了一種新的指標(biāo)，即鉆進(jìn)過程指數(shù)(DPI)來定量評價(jià)巖體完整性(見式(1))。該指標(biāo)綜合考慮了鉆進(jìn)過程中F和N的影響，在均質(zhì)材料中具有唯一性，且非常穩(wěn)定，如圖3(b)所示。

圖3 鉆進(jìn)過程指數(shù)DPI

DPI=αF-0.53N-0.48V

(1)

式中α為與巖石類型相關(guān)的待定常量，可通過室內(nèi)試驗(yàn)率定。

圖4是某工程鉆進(jìn)過程指數(shù)隨深度變化及其與巖芯的對比情況，可以看出該指標(biāo)能很好地反映巖體性狀的變化，當(dāng)巖體較為完整時(shí)DPI在0～2之間。

圖4 巖體鉆進(jìn)過程指數(shù)和完整性對應(yīng)關(guān)系

為便于工程應(yīng)用，進(jìn)一步建立了DPI與巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD的映射公式：

(2)

式中∑Li(0≤DPI≤2)為DPI處于0～2之間對應(yīng)的巖芯長度，且Li≥10 cm。

對于圖4中的裂隙巖體，根據(jù)式(2)得到的RQD為74，與采用傳統(tǒng)巖芯量測得到的RQD(72)十分吻合。該方法不僅減少了以往統(tǒng)計(jì)RQD時(shí)人為主觀因素的影響，而且為工程快速獲取RQD提供了一種新方法。

(2)利用鉆進(jìn)切深斜率確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度。根據(jù)對隨鉆實(shí)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，鉆機(jī)鉆進(jìn)壓力和單轉(zhuǎn)鉆進(jìn)深度呈線性相關(guān)關(guān)系(圖5(a))，且鉆進(jìn)切深斜率(Kslope)沿鉆孔深度與不同巖層、不同巖性具有很好的對應(yīng)性(圖5(b))。據(jù)此，提出了通過鉆進(jìn)切深斜率確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度R的經(jīng)驗(yàn)公式：

R=βKslope

(3)

式中：R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Kslope為切深斜率；β為與鉆頭型式有關(guān)的待定常量，取值范圍為600～800。

圖5(b)為某一工程地質(zhì)鉆探過程中，獲得的各巖層鉆進(jìn)切深斜率和按式(3)計(jì)算得到的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，并給出了巖芯實(shí)測單軸抗壓強(qiáng)度與計(jì)算結(jié)果的對比情況，兩者高度一致，充分驗(yàn)證了本文方法的合理性，該方法為快速獲得巖石單軸抗壓強(qiáng)度提供了新的手段。

圖5 利用鉆進(jìn)切深斜率確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度的方法

(3)利用單位體積鉆進(jìn)耗能評價(jià)巖石耐磨性。根據(jù)鉆進(jìn)過程中鉆頭的受力特征(圖6(a))，建立了單位體積鉆進(jìn)耗能(ηe)的計(jì)算公式：

(4)

式中：Ec為鉆進(jìn)耗能，kJ；M為鉆進(jìn)扭矩，N·m；v為泊松比；R為鉆頭半徑，mm；μ為鉆頭與巖石摩擦系數(shù)；t為鉆進(jìn)時(shí)間，s。

基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了單位體積鉆進(jìn)耗能與巖石耐磨性指標(biāo)(CAI)之間的定量關(guān)系(圖6(b))：

CAI=0.807e0.0137ηe

(5)

圖6(c)為按式(5)計(jì)算得到的CAI與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的對比情況，可以看出兩者吻合較好。本文方法為利用隨鉆檢測信息快速獲取巖石耐磨性指標(biāo)提供了新的途徑。

圖6 巖體耐磨性指標(biāo)確定方法

2.2 孔內(nèi)巖體力學(xué)原位試驗(yàn)設(shè)備和方法研制的孔內(nèi)巖體力學(xué)原位試驗(yàn)設(shè)備由控制平臺、輔助裝置和鉆孔剪切彈模測頭三部分組成(圖7)。該設(shè)備能夠在狹窄的勘探鉆孔中進(jìn)行巖體變形和抗剪原位試驗(yàn)，方便快捷地獲得巖體變形和強(qiáng)度特性參數(shù)[15-17]。

圖7 孔內(nèi)巖體力學(xué)原位試驗(yàn)設(shè)備

(1)鉆孔彈模試驗(yàn)原理及方法。巖體鉆孔彈模試驗(yàn)的工作原理與工程中常用的旁壓試驗(yàn)原理相同，其理論基礎(chǔ)為厚壁圓筒理論，利用圓筒內(nèi)部壓力和徑向變形的關(guān)系來獲取筒壁材料的變形模量，如圖8(a)所示。在實(shí)際測試中，將巖體鉆孔剪切彈模儀放置在巖體鉆孔中的預(yù)定位置，利用上下盤刀之間的耐高壓橡膠囊(加載腔)向孔壁巖體施加壓力(P)，根據(jù)橡膠囊油量變化確定孔壁巖體徑向變形(δ)，通過反復(fù)加卸載獲得相應(yīng)的P-δ過程曲線，如圖8(b)(c)所示。

圖8 鉆孔彈模試驗(yàn)

鉆孔彈模試驗(yàn)并不能直接得到巖體的彈性模量(E)，需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化計(jì)算，國內(nèi)外已給出了某些特定條件下的經(jīng)驗(yàn)公式[7]，這些經(jīng)驗(yàn)公式在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的局限性。針對這一問題，本文進(jìn)一步提出了一種基于優(yōu)化算法，根據(jù)鉆孔彈模試驗(yàn)結(jié)果直接反演計(jì)算考慮巖體結(jié)構(gòu)和尺寸效應(yīng)等復(fù)雜因素的巖體綜合彈模(Ez)的方法，如式(6)所示。該方法以優(yōu)化模型為核心，通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)巖體彈模、泊松比不斷改變，對鉆孔試驗(yàn)加載過程進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)曲線吻合度最高時(shí)對應(yīng)的彈模、泊松比即為所求的最終結(jié)果。

(6)

式中：δmi、δci分別為i荷載步下數(shù)值模擬和試驗(yàn)實(shí)測的孔壁變形；K、u和F分別為數(shù)值計(jì)算中的剛度矩陣、節(jié)點(diǎn)位移和荷載矩陣；A(ub)為根據(jù)孔壁節(jié)點(diǎn)位移(ub)計(jì)算孔壁變形(δci)的函數(shù)。

圖9(a)為某一工程鉆孔彈模試驗(yàn)實(shí)測的P-δ過程線，通過優(yōu)化算法計(jì)算得到的彈性模量為17.24 GPa，圖9(b)為最優(yōu)解對應(yīng)的孔周圍巖應(yīng)力變形分布情況。

圖9 某一工程鉆孔彈模試驗(yàn)實(shí)例

(2)鉆孔剪切試驗(yàn)原理及方法。當(dāng)進(jìn)行鉆孔原位剪切試驗(yàn)時(shí)，首先利用安裝在測頭中的上下盤刀旋轉(zhuǎn)掏槽，在上槽部位形成剪切臨空面后收回上槽盤刀，并通過橡膠囊施加剪切試驗(yàn)的正應(yīng)力，然后再上拔下槽盤刀進(jìn)行剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測的下盤刀最大上拔力和剪切面面積計(jì)算得到相應(yīng)正應(yīng)力下的巖體抗剪強(qiáng)度，如果在同一巖層中進(jìn)行3～5組不同正應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)，即可按常規(guī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理方法快捷獲得巖體剪切強(qiáng)度參數(shù)。圖10(a)(b)(c)分別為鉆孔剪切試驗(yàn)原理的示意圖和室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。圖11是鉆孔原位剪切試驗(yàn)在某一工程的實(shí)際應(yīng)用情況。

圖10 基于鉆孔剪切的巖體強(qiáng)度特性參數(shù)確定方法

圖11 鉆孔原位剪切試驗(yàn)工程應(yīng)用實(shí)例

3 巖體力學(xué)參數(shù)的定量類比方法

如前所述，現(xiàn)階段工程經(jīng)驗(yàn)類比仍然是確定巖體力學(xué)參數(shù)的主要方法，參數(shù)確定合理與否很大程度上依賴于工程師對已有工程“經(jīng)驗(yàn)資料”的掌握程度和類比分析方法的科學(xué)合理性。為解決“經(jīng)驗(yàn)資料”不足的問題，本文對建國以來81個(gè)工程681組不同類型巖體(軟弱夾層、無填充結(jié)構(gòu)面和巖體)的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果進(jìn)行了系統(tǒng)的整編，形成了巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上深入研究了不同類型巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性；并進(jìn)一步探討了基于Bayes方法和可靠度理論，利用已有數(shù)據(jù)庫大樣本資料和具體工程少量試驗(yàn)成果來確定巖體參數(shù)的定量類比方法[4，18]。

3.1 巖體現(xiàn)場抗剪試驗(yàn)資料數(shù)據(jù)庫建成的巖體工程抗剪強(qiáng)度參數(shù)數(shù)據(jù)庫，如圖12所示，數(shù)據(jù)來源于全國19個(gè)省、81個(gè)工程，涵蓋水利水電、交通和礦山等行業(yè)，包括每個(gè)試塊的抗剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)和破壞特征。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有寶貴的研究和應(yīng)用價(jià)值。

圖12 巖體工程抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫

在此基礎(chǔ)上，借鑒已有巖體分類研究成果，根據(jù)不同的巖體類型和特征，建立了基于多因素定性描述和定量參數(shù)相結(jié)合的綜合分類方法，如表1—3所示。

表1 軟弱夾層分類標(biāo)準(zhǔn)表

表2 無填充結(jié)構(gòu)面分類標(biāo)準(zhǔn)表

表3 巖體分類標(biāo)準(zhǔn)表

依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)對各類巖體抗剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸類分析，圖13給出了兩組典型的抗剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖。

圖13 抗剪參數(shù)歸類分析

從圖13可以看出，同類、同級別巖體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出相對集中的趨勢，表明本文所采用的分類標(biāo)準(zhǔn)和歸類分析方法是合理可行的，歸類分析成果基本上代表了各類巖體的實(shí)際情況。

3.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)分析從前述各類巖體歸類分析的結(jié)果可以看出，不同巖性的巖體，其物理力學(xué)參數(shù)有很大差別；既便是巖性相同的巖體，由于各種影響因素的復(fù)雜性，其物理力學(xué)參數(shù)也會(huì)有一定程度的變化，具有隨機(jī)不確定性，對于這些隨機(jī)變量可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來建立相應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)模型，從整體上把握不同類型巖體力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[8]。表4為通過統(tǒng)計(jì)分析獲得的軟弱夾層、無充填結(jié)構(gòu)面和巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c、f)的概率統(tǒng)計(jì)模型以及相應(yīng)于不同置信水平的取值范圍。表中結(jié)果表明，各類巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)具有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，所獲得的分布概型和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)在總體上代表了各類巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，同時(shí)，給出的抗剪參數(shù)取值范圍可作為實(shí)際工程中判斷參數(shù)取值是否合理的重要依據(jù)。這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果無論在理論和實(shí)用上都具有十分重要的價(jià)值。

表4 軟弱夾層抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.3 巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定方法如前所述，目前巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定主要是依據(jù)某一工程有限的室內(nèi)外試驗(yàn)成果，通過工程類比分析獲得，所確定的參數(shù)帶有很大的人為主觀性。為了解決這一問題，引入概率統(tǒng)計(jì)中的Bayes方法[9]和可靠度理論，提出了一種從“試驗(yàn)值”“統(tǒng)計(jì)值”“標(biāo)準(zhǔn)值”到“設(shè)計(jì)值”的取值方法，其具體過程如圖14所示。

圖14 基于Bayes方法和可靠度理論確定巖體抗剪強(qiáng)度的方法

(1)“統(tǒng)計(jì)值”的確定方法。每一個(gè)具體工程所做的有限數(shù)量的試驗(yàn)提供了圖14中的“試驗(yàn)值”，已有工程積累的大量試驗(yàn)資料則提供了圖14中的“經(jīng)驗(yàn)值”。應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的Bayes方法(式(7))，可將 “試驗(yàn)”和“經(jīng)驗(yàn)”有機(jī)結(jié)合起來，獲得巖體參數(shù)的大概率估計(jì)值(“統(tǒng)計(jì)值”)，這種定量類比方法比過去依靠工程師人為判斷的純經(jīng)驗(yàn)方法更為科學(xué)合理。當(dāng)然，如果某一工程試驗(yàn)數(shù)量足夠多，也可以直接通過對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析獲得巖體參數(shù)的“統(tǒng)計(jì)值”。

(7)

式中：P(Bi)為事件Bi(對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫大樣本資料)發(fā)生的先驗(yàn)概率；P(A/Bi)為事件Bi發(fā)生條件下事件A的條件概率(或稱為試驗(yàn)概率，對應(yīng)于某一具體工程的試驗(yàn)數(shù)據(jù))；P(Bi/A)為事件Bi(對應(yīng)于統(tǒng)計(jì)值)的后驗(yàn)概率。如果已知大樣本的先驗(yàn)分布P(Bi)和試驗(yàn)概率P(A/Bi)，按式(8)和式(9)就可以對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果做出新的估計(jì)(即圖14中的“統(tǒng)計(jì)值”)：

(8)

(9)

下面通過一個(gè)實(shí)例來說明Bayes方法的具體應(yīng)用情況。某工程壩基輝綠巖弱風(fēng)化帶中有一組緩傾角夾泥裂隙，是控制壩基抗滑穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面。為此，進(jìn)行了9組現(xiàn)場裂隙面抗剪試驗(yàn)，得出黏聚力c的均值為5.13×105Pa，從經(jīng)驗(yàn)判斷此值明顯偏大[4]。現(xiàn)借助Bayes公式重新進(jìn)行估算，根據(jù)同類巖體裂隙面抗剪試驗(yàn)26組的試驗(yàn)成果和該工程的9組試驗(yàn)成果，計(jì)算得到的后驗(yàn)概率分布列于表5中。黏聚力c的大概率估計(jì)值為：c=0.58×l.5+0.18×4.1+0.13×6.7+0.09×9.3+0.02×11.9+0×14.5=3.577×105Pa。

表5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)c的Bayes公式計(jì)算結(jié)果

(2)“標(biāo)準(zhǔn)值”和“設(shè)計(jì)值”的確定方法。由Bayes方法求得的統(tǒng)計(jì)值，雖然反映了抗剪強(qiáng)度參數(shù)大樣本的統(tǒng)計(jì)特性，但并不能直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中，譬如假定某一參數(shù)服從正態(tài)分布，其均值為0.56，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.08時(shí)，該參數(shù)小于均值的概率P(x<μ)可達(dá)50%，意味著采用該參數(shù)直接進(jìn)入設(shè)計(jì)中會(huì)承擔(dān)很大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，“統(tǒng)計(jì)值”還需通過取概率分位數(shù)予以折減后變?yōu)椤皹?biāo)準(zhǔn)值”，再除以分項(xiàng)系數(shù)后才能作為設(shè)計(jì)采用值(“設(shè)計(jì)值”)。

考慮到巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和工程實(shí)際應(yīng)用需求，抗剪強(qiáng)度參數(shù)的“標(biāo)準(zhǔn)值”可采用概率分布的0.2分位值(相應(yīng)的概率保證率為80%)。對應(yīng)于不同的分布概型，“標(biāo)準(zhǔn)值”可以按下面的公式計(jì)算。

當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)服從正態(tài)分布時(shí)：

μk=μb+Kσb

(10)

當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布時(shí)：

(11)

式中：μk為標(biāo)準(zhǔn)值；δb=σb/μb；K為與概率分位數(shù)有關(guān)的系數(shù)。實(shí)際工程中一般取概率分位數(shù)為0.2，此時(shí)K=-0.84。

如前所述，標(biāo)準(zhǔn)值仍然不能直接用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，還必須要采用適當(dāng)?shù)姆猪?xiàng)系數(shù)γ進(jìn)行折減后才能作為工程“設(shè)計(jì)值”，具體計(jì)算公式如下：

(12)

當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)服從正態(tài)分布時(shí)：

(13)

當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布時(shí)：

(14)

式中：μd為設(shè)計(jì)值；γ為分項(xiàng)系數(shù)；K1=φ-1(αf1)、K2=φ-1(αf2)，αf1、αf2分別為參數(shù)設(shè)計(jì)值和標(biāo)準(zhǔn)值在其概率分布上的分位值，實(shí)際工程中一般取K1=-2、K2=-1.645。

表6給出了8個(gè)工程巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)摩擦系數(shù)f)，利用上述方法確定設(shè)計(jì)值的過程。從表6可知，除了工程4、5以外，其余工程f≥fk的概率都在0.80以上，滿足工程所需0.20概率分位數(shù)要求，可直接將此“標(biāo)準(zhǔn)值”應(yīng)用于設(shè)計(jì)。工程4、5的P(f≥fk)偏小，需按式(13)或式(14)計(jì)算分項(xiàng)系數(shù)，經(jīng)折減后得出設(shè)計(jì)值，以供設(shè)計(jì)應(yīng)用。需要指出的是，對于“統(tǒng)計(jì)值”出現(xiàn)的概率己大于0.8的情況(如工程3和6)，則無需修正，否則采用修正后參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)將過于保守。

表6 8個(gè)工程巖體抗剪參數(shù)f設(shè)計(jì)值的確定過程

4 結(jié)論

(1)研制了巖體參數(shù)隨鉆測試和孔內(nèi)原位試驗(yàn)設(shè)備，提出了根據(jù)隨鉆實(shí)時(shí)信息確定巖體完整性、單軸抗壓強(qiáng)度和耐磨性參數(shù)的技術(shù)，以及通過孔內(nèi)原位試驗(yàn)快速獲得巖體強(qiáng)度和變形參數(shù)的方法，為實(shí)現(xiàn)巖體工程力學(xué)參數(shù)的快速測試提供了一種新的手段。

(2)構(gòu)建了包含81個(gè)工程681組現(xiàn)場巖體抗剪試驗(yàn)資料數(shù)據(jù)庫，提出了各類巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的分布概型、統(tǒng)計(jì)特征值以及相應(yīng)不同置信水平的取值區(qū)間，這些統(tǒng)計(jì)成果對于巖體抗剪參數(shù)取值具有重要的參考價(jià)值。

(3)基于Bayes方法和可靠度理論，提出了利用大樣本數(shù)據(jù)庫資料和少量具體工程試驗(yàn)成果來確定巖體參數(shù)的定量類比方法，有效解決了參數(shù)工程類比分析中科學(xué)定量化的難題。