巖體的力學(xué)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cm、φm及σmc和σmt等。實驗室測得的往往是巖塊的力學(xué)參數(shù),可以通過巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與巖塊的力學(xué)性質(zhì)相結(jié)合,選取巖體的力學(xué)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(biāo)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Em。
(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(biāo)RMR值和變形模量Em間的統(tǒng)計關(guān)系,公式如下:
Em=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:
Em=10(6-10)
(2)挪威的Bhasin & Barton 等人(1993)研究了巖體分類指標(biāo)Q值、縱波速度Vp(m/s)和巖體平均變形模量Emean(GPa)間的關(guān)系,提出了如下的經(jīng)驗關(guān)系:
Vp=1 000lgQ+3 500
Emean=(6-11)
已知Q值或Vp時,可求出巖體的變形模量Emean。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(xué)參數(shù)有Eo、υo、Go和Co、Rco等,運用彈性理論時,剛度矩陣只有Eo、υo、Go、λo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(xué)性質(zhì)極為復(fù)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。
E=(1-CvΩ)Eo(6-12)
G=(1-CsΩ)Go(6-13)
式中:Ω——巖體損傷模量張量;
Cv——節(jié)理面?zhèn)鲏合禂?shù);
Cs——節(jié)理面?zhèn)骷粝禂?shù);
Eo——巖塊彈性模量張量;
Go——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(yīng)力—應(yīng)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(xué)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(biāo)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(yīng)以巖體分類為依據(jù),目前巖體工程分類的方法和標(biāo)準(zhǔn)有幾十種,但是把巖體工程分類系統(tǒng)與工程設(shè)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(xué)參數(shù)弱化處理和工程設(shè)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(biāo)換算為RMR指標(biāo)。
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(biāo)是最重要的計算指標(biāo),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(biāo)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(dǎo)出巖塊和巖體破壞的主應(yīng)力之間的關(guān)系式為:
σm=σ3+(6-14)
或 τ=A σc(σ/σc-T)B(6-15)
式中:σ1、σ3——破壞時的最大最小主應(yīng)力;
σc——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σm c:
σm c=σc(6-16)
巖體單軸抗拉強度σm t:
σm t==Tσc(6-17)
進一步得出:
φm=arctan[AB(-T)B-1] (6-18)
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