巖體力學參數(shù)的選取

巖體的力學參數(shù)有變形參數(shù)即變形模量E、剪切模量G及泊松比υ等，強度參數(shù)有c_m、φ_m及σ_mc和σ_mt等。實驗室測得的往往是巖塊的力學參數(shù)，可以通過巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與巖塊的力學性質(zhì)相結(jié)合，選取巖體的力學參數(shù)。

一、巖體變形參數(shù)

對于裂隙巖體，國內(nèi)外都特別重視建立巖體分類指標與變形模量之間的經(jīng)驗關(guān)系，并用于推求巖體的變形模量E_m。

(1)比尼衛(wèi)斯基(Bieniawski，1978)研究了大量巖體變形模量實測資料，建立了分類指標RMR值和變形模量E_m間的統(tǒng)計關(guān)系，公式如下：

E_m＝2RMR-100 (6-9)

式(6-9)只適用于RMR>55的巖體。為彌補這一不足，Serafim & Pereira(1983)根據(jù)收集到的資料以及Bieniawski的數(shù)據(jù)，擬合出如下方程，以用于RMR≤55的巖體：

E_m＝10(6-10)

(2)挪威的Bhasin & Barton 等人(1993)研究了巖體分類指標Q值、縱波速度V_p(m/s)和巖體平均變形模量E_mean(GPa)間的關(guān)系，提出了如下的經(jīng)驗關(guān)系：

V_p＝1 000lgQ+3 500

E_mean＝(6-11)

已知Q值或V_p時，可求出巖體的變形模量E_mean。式(6-11)只適用于Q>1的巖體。

(3)將巖塊作為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)來看待，其力學參數(shù)有E_o、υ_o、G_o和C_o、R_co等，運用彈性理論時，剛度矩陣只有E_o、υ_o、G_o、λ_o等參數(shù)，其中二者即可確定整個剛度矩陣，巖體由于結(jié)構(gòu)面的存在使其力學性質(zhì)極為復雜，在處理假定結(jié)構(gòu)面中小規(guī)模，結(jié)構(gòu)面較為光滑，假定損傷不擴展，即損傷張量Ω為常數(shù)，則巖體彈性模量張量由下式求取：

E=(1-C_vΩ)E_o(6-12)

G=(1-C_sΩ)G_o(6-13)

式中：Ω——巖體損傷模量張量;

C_v——節(jié)理面?zhèn)鲏合禂?shù);

C_s——節(jié)理面?zhèn)骷粝禂?shù);

E_o——巖塊彈性模量張量;

G_o——巖塊剪切模量張量。

二、巖體強度參數(shù)

巖體的強度主要與完整巖石強度和巖體結(jié)構(gòu)面交切情況有關(guān)。為了給巖體應力—應變(或位移)有限元分析和邊坡巖體穩(wěn)定性計算提供巖體力學參數(shù)，目前國內(nèi)外確定巖體強度參數(shù)通用的方法是，根據(jù)巖體的地質(zhì)特征和巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響巖體性質(zhì)的因素，進行巖體質(zhì)量分類，然后建立巖體質(zhì)量分類指標值與巖體強度參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，估算巖體的強度參數(shù)值。

1. 工程巖體質(zhì)量評價

巖體工程參數(shù)的弱化處理應以巖體分類為依據(jù)，目前巖體工程分類的方法和標準有幾十種，但是把巖體工程分類系統(tǒng)與工程設計參數(shù)和處理措施相聯(lián)系的分類方法有RMR(或CSIR)法和Q分類方法等。

RMR分類方法是Z.T.Bieniawski(1973)提出的工程巖體分類體系。在國際上已有286個工程實踐經(jīng)驗，并形成一套巖體力學參數(shù)弱化處理和工程設計的系統(tǒng)方法。這一分類較好地反映了影響巖體質(zhì)量的主要工程地質(zhì)條件。根據(jù)具體工程的地層巖性和單層厚度，將巖體結(jié)構(gòu)和強度劃分為若干工程地質(zhì)巖組，然后通過巖體的RQD值和結(jié)構(gòu)面間距值，利用巖塊在實驗室得出的飽和單軸抗壓強度，考慮地下水條件以后，可得巖組的RMR得分值。

巖體分級體系間一般存在較好的相關(guān)性，因此也可將其他評分體系得到的巖體質(zhì)量指標換算為RMR指標。

2. 巖體強度參數(shù)的估算

在巖體穩(wěn)定性分析中，巖體抗剪強度指標是最重要的計算指標，可用費辛柯法、M.Georgi法、RMR分類法、Hoek-Brown法等對巖體抗剪強度指標進行弱化處理。費辛柯法適用于沉積煤系地層組成的巖體，M.Georgi法對堅硬巖漿巖和變質(zhì)巖塊的巖體強度較為適用，RMR分類法和Hoek-Brown法考慮了較多的影響因素，因而可選用RMR分類法和Hoek-Brown法對巖體強度參數(shù)進行選齲

霍克和布朗(1980)根據(jù)巖石性質(zhì)的理論和實踐經(jīng)驗，用實驗法導出巖塊和巖體破壞的主應力之間的關(guān)系式為：

σ_m＝σ₃+(6-14)

或 τ=A σ_c(σ/σ_c-T)^B(6-15)

式中：σ₁、σ₃——破壞時的最大最小主應力;

σ_c——完整巖塊的單軸抗壓強度;

m、s——巖體巖性及結(jié)構(gòu)面發(fā)育的有關(guān)系數(shù)。

巖體單軸抗壓強度σ_{m c}：

σ_{m c}＝σ_c(6-16)

巖體單軸抗拉強度σ_{m t}：

σ_{m t}＝＝Tσ_c(6-17)

進一步得出：

φ_m＝arctan[AB(-T)^B-1] (6-18)