定量化GSI在估計巖體力學參數(shù)中的應用研究

王可意,徐東強

(河北工業(yè)大學 土木工程學院,天津 300401)

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定量化GSI在估計巖體力學參數(shù)中的應用研究

王可意,徐東強

(河北工業(yè)大學 土木工程學院,天津 300401)

Hoek-Brown強度準則在裂隙化巖體中得到了廣泛應用。然而，Hoek給出的巖體結(jié)構(gòu)特征和巖體表面狀況與地質(zhì)強度指標 (GSI)的概化關系，公路隧道工程中無法根據(jù)勘察報告給出圍巖指標，建立與GSI的對應關系。鑒于此，必須建立巖體完整系數(shù)(Kv)和巖體風化程度系數(shù)(Kf)與GSI的定量關系，從而確定Hoek-Brown強度準則中所需要的巖體參數(shù)值。利用該方法估計公路隧道圍巖的力學參數(shù)，將該估算值用于模擬隧道拱頂沉降，得到的模擬值與實際監(jiān)測結(jié)果對比，誤差在允許范圍之內(nèi)。通過算例驗證該方法確定H-B強度準則中巖體參數(shù)的可行性，為公路隧道不同圍巖的H-B強度準則巖體參數(shù)值的確定提供了新的快速、實用的方法。

巖石力學;地質(zhì)強度指標( GSI);完整性系數(shù)(Kv);風化系數(shù)(Kf);圍巖分級

Hoek-Brown強度準則由于綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖塊強度、應力狀態(tài)等多種因素的影響，在實際工程中可更好的反映巖體的破壞特征，得到了廣泛的應用[1-3]。改進的Hoek-Brown強度準則提出以后，許多學者對Hoek-Brown參數(shù)的定量估計進行了研究。鄒瑯[4]將Bieniawski的RMR巖體分級評分系統(tǒng)與GSI取值進行結(jié)合，來估計山嶺隧道公路圍巖的力學參數(shù)，然而評分系統(tǒng)考慮的因素較多，有些參數(shù)難以確定。夏開宗等[5]建立了巖體波速估算GSI和擾動系數(shù)D的定量關系，然而這種方法只適合于波速大于 1 700 m/s 的巖體，對于質(zhì)量很差的巖體并不適用。韓鳳山等[6-8]將Jv(節(jié)理數(shù)/m3)和結(jié)構(gòu)面條件因子 JC引入對GSI的定量評價中，來估計大體積節(jié)理化巖體強度與力學參數(shù)，然而沒有考慮到巖體表面狀況對GSI的影響，且實際工程中對于體積節(jié)理數(shù)的確定較為困難。楊峰等[9]將[BQ]值引入Hoek-Brown強度準則，得出了GSI與[BQ]的對應關系，并將[BQ]值帶入Hoek-Brown強度準則中對其進行了改進。雖然[BQ]可從勘察報告中直接獲得，方法比較簡單，但[BQ]的表達式有巖石單軸抗壓強度的影響，而E.Hoek提出估計GSI的因素主要有兩個：巖體結(jié)構(gòu)類型和巖體風化狀況，與巖體單軸抗壓強度無關，用[BQ]來估計GSI值顯然不夠精確。鑒于此，蘇永華等[10]提出了巖石風化指數(shù)和巖體塊度指數(shù)和GSI的對應關系，考慮到了決定GSI的2個主要因素，然而風化指數(shù)的獲得需要計算化學風化特征值，對巖體進行微觀礦物成分含量的計算，在實際工程中應用較復雜?？梢钥闯?，以上研究均從不同角度建立與GSI的關系，為GSI的定量取值提供依據(jù)，減少GSI取值的主觀性。因此本文在充分利用《公路隧道設計規(guī)范》和勘察報告的基礎上，考慮到?jīng)Q定GSI的兩個主要因素，引入完整性系數(shù)Kv值和風化系數(shù)Kf對地質(zhì)強度指標GSI進行定量劃分，從而可以獲取較為精確的H-B強度準則的巖體力學參數(shù)值。

1 Hoek-Brown強度準則

Hoek等[12]于1992年提出了廣義Hoek-Brown強度準則，該準則的研究對象從巖石轉(zhuǎn)變到實際工程巖體。表達式為：

(1)

式中：σ1和σ3分別為巖石破壞時的最大和最小主應力，MPa；σc為完整巖塊單軸抗壓強度，MPa；mb和s為反映巖體特征的參數(shù)；a為針對不同巖體的量綱的經(jīng)驗參數(shù)。

以式(1)為基礎，E.Hoek和E.J.Brown導出了相關巖體力學參數(shù)的估算公式：

(2)

(3)

式中：σcm為巖體的抗壓強度；σtm為巖體抗拉強度。

后來，E. Hoek 等[13-14]提出了基于地質(zhì)強度指標(GSI)的巖體參數(shù)mb，s，a 的取值方法，并將表示爆破影響和應力釋放的擾動參數(shù)D引入式(1)中：

(4)

(5)

式中：Em為巖體的彈性模量；mi為反映不同巖石類型的參數(shù)，E.hoek等人結(jié)合大量工程地質(zhì)人員來自實驗室和工程經(jīng)驗的總結(jié)，提出了覆蓋多種巖石的mi取值方法參考文獻[15]。

2 地質(zhì)強度指標GSI量化方法

從式(4)中可以看出，想要確定Hoek-Brown強度準則中巖體的力學參數(shù)，就要準確的得到GSI值，然而E. Hoek 對 GSI 只給出了一個關于巖體結(jié)構(gòu)類型和巖體風化狀況的概化的區(qū)間范圍，沒有提出定量化方法，導致 GSI 取值主觀性強，所估算的巖體力學參數(shù)因人而易，如表1所示。

為了克服上述不足，本文引入巖體完整程度系數(shù)和巖體風化系數(shù)對 GSI中的巖體結(jié)構(gòu)和風化狀況因素進行量化。

2.1 巖體完整程度

《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70-2004)巖體完整程度可用巖體完整性系數(shù)Kv表示，Kv值應針對不同的工程地質(zhì)巖組或巖性段，選擇有代表性的點段，測定圍巖彈性縱波波速，并應在同一圍巖段取樣測定巖石彈性縱波波速，用動力法可以測定完整性系數(shù)：

(6)

式中：Vpm和Vpr分別代表評價區(qū)域巖體和巖石的彈性縱波波速。

當無聲測資料時也可根據(jù)巖體單位體積內(nèi)結(jié)構(gòu)面條數(shù)Jv查得，Jv的單位為(條/m3)，如式(7)

(7)

巖體結(jié)構(gòu)類型與Kv的關系可參照《公路隧道設計規(guī)范》和文獻[5]得出如下的對應關系，如表2所示：

2.2 巖體風化系數(shù)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021)中規(guī)定，巖體的風化程度參數(shù)指標為波速比和風化系數(shù)，本文選用風化系數(shù)Kf來描述巖體風化程度。《巖土工程勘察規(guī)范》中將風化系數(shù)定義為風化巖石與新鮮巖石飽和單軸抗壓強度之比。風化程度的定性描述和風化系數(shù)的定量關系如表3所示：

表1 巖體地質(zhì)強度指標GSI概化表

Table 1 Geological strength index(GSI) in Hoek-Brown criterion

表2 巖體結(jié)構(gòu)類型及相應的巖體完整系數(shù)對應關系

Table 2 Rock structure types and the corresponding complete index of rock

表3 巖體風化系數(shù)與風化等級關系

Table 3 Relationship of rock weathering coefficients and weathered hierarchical

風化程度Kf風化程度定性描述未風化0.9-1.0巖質(zhì)新鮮,偶見風化痕跡微風化0.8-0.90結(jié)構(gòu)基本未變,僅節(jié)理面有渲染或略有變色,有少量風化痕跡中等風化0.4-0.8結(jié)構(gòu)部分破壞,沿節(jié)理面有次生礦物,風化裂隙發(fā)育,巖體被切割成巖塊強風化0.4-0.2結(jié)構(gòu)大部分破壞,礦物成分顯著變化,風化裂隙很發(fā)育,巖體破碎全風化<0.2結(jié)構(gòu)基本破壞,但尚可辨認,有殘余結(jié)構(gòu)強度

將表 2 和表 3 對巖體結(jié)構(gòu)和巖體風化狀況的量化指標分別嵌入表 1 相應的GSI橫向和豎向的定性描述中，三者結(jié)合則得到表4基于巖體特征的 GSI 定量化表格方法。例如：表1第一欄中未風化的定性描述與《巖土工程勘察規(guī)范》中未風化程度的定性描述基本一致，而規(guī)范中將未風化定量表示為0.9-1，則表中豎向第一欄定量為Kf=0.9-1。同樣，表1中橫向巖體結(jié)構(gòu)的定性描述與表2中巖體完整系數(shù)Kv的定性描述大致相同，表2中Kv的定量值與之相對應嵌入表中，與文獻[10]的結(jié)果具有一致性。該表的取值方法是很據(jù)橫向Kv和縱向Kf值得到交點，將該點在GSI的兩條線中間進行插值。

表4 GSI量化表

Table 4 GSI quantization table

3 工程分析

3.1 工程概況

清家溝隧道位于邢臺市邢臺縣境路羅鎮(zhèn)內(nèi)，為分離式單洞三車道隧道，左線里程ZK68+010～ZK68+860，長850 m，最大埋深145 m；單洞設計凈寬14.5 m，洞凈高6.0 m。

巖體較完整，巖質(zhì)較堅硬，呈整體狀或巨厚層狀，完整巖塊的單軸抗壓強度Rb=31 MPa。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔顯示隧道圍巖主要為風化后的石英砂巖，在ZK68+445～ZK68+535附近處巖體完整系數(shù)Kv=0.67，其風化系數(shù)Kf約為0.4。依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70-2004)和《公路隧道設計細則》(JTG-T D70-2010)，ZK68+445～ZK68+535利用圍巖基本質(zhì)量指標修正值 [BQ]=350.5，屬Ⅲ2級圍巖。

3.2 巖體參數(shù)估計

查表3得，GSI=49，由文獻[15]可得石英砂巖的Hoek-Brown常數(shù)mi=20，由式(4)可得mb=3.235 9，s=0.003 46，a=0.5。由式(2)、(3)和(5)可得，該巖體的單軸抗壓強度σcm=1.823 MPa，抗拉強度σtm=0.079 1 MPa，彈性模量Em=5.26 GPa。

(8)

由公式(1)可得：

σ1=σ3+31(0.104 38σ3+0.003 46)0.5

(9)

因此σ3max=σc/4=7.75 MPa，在σ3處取0-7 MPa，有

(10)

回歸分析結(jié)果見表4，則λ1=4.369 1，λ2=4.673 4。則

σ1=4.3691σ3+4.6734

(11)

由式(8)可得，φ =39°，c=1.1 MPa。根據(jù)《公路隧道設計細則》(JTG-T D70-2010)規(guī)定，Ⅲ2級圍巖的內(nèi)摩擦角范圍為39°～44°，粘聚力范圍為0.7～1.1，計算得到的值在規(guī)范范圍之內(nèi)。

表4 回歸分析表

3.3 數(shù)值計算

為了進一步驗證使用本方法對GSI量化從而估算霍克布朗強度準則中參數(shù)的合理性，采用FLAC3D對清家溝隧道中ZK68+445～ZK68+535段進行數(shù)值模擬。模型為51 m，本構(gòu)模型選用霍克布朗模型，為了避免邊界效應，選取Y=23.5處為監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面處拱頂沉降值為7.65 mm，現(xiàn)場監(jiān)測值為6.9 mm。則估算值與實測值相差0.75 mm，相對誤差為10.86%。從模擬的結(jié)果可以看出，本文提出的方法對GSI定量化的估算結(jié)果比較接近實際，具有合理性。

3.4 同類方法對比分析

文獻[9]根據(jù)巖體質(zhì)量指標[BQ]值推出與GSI之間的定量關系，得出GSI與[BQ]之間的關系式為：

GSI=0.2[BQ]-30

同樣利用勘察報告也可得出[BQ]值，實現(xiàn)了對GSI的定量化分析。然而，《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70-2004)中[BQ]值的獲得是由巖石完整性系數(shù)和巖石單軸抗壓強度、地下水狀態(tài)影響修正系數(shù)、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響系數(shù)、以及初始地應力狀態(tài)系數(shù)決定，缺少對巖體風化的描述，因此直接采用[BQ]值來估計GSI值不夠精確，且估計值偏小。

4 結(jié)論

1)采用巖體完整系數(shù)Kv和巖體風化系數(shù)Kf對巖石地質(zhì)強度指標GSI進行定量劃分，為GSI定量取值提供依據(jù)，減少GSI取值的主觀性，從而提高H-B準則中巖體參數(shù)取值的精確度。

2)該方法對H-B模型中的巖體參數(shù)進行估計，結(jié)果與《公路隧道設計規(guī)范》相符，并與實測值對比，結(jié)果滿足工程精度要求，為以后數(shù)值模擬中H-B模型參數(shù)的選取提供依據(jù)。

3) 根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告就可得出巖體完整系數(shù)Kv和巖體風化系數(shù)Kf，便于工程應用，并通過實例驗證該方法的合理性。

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Application of quantitative GSI in the estimation of rock mechanics parameters

WANG Keyi，XU Dongqiang

(Civil Engineering inHebei University of Technology， Tianjin 300401， China)

Hoek-Brown strength criteria is widely applied in fissure rock-mass, although the qualitative relationship among rock structure characteristics, rock surface condition and Geological Strength Index (GSI) has been offered by E.Hoek, surrounding rock index cannot be provided according to survey report in highway tunnel engineering along with failure to connect with GSI. Therefore, the quantitative relationship among rock complete coefficient (Kv), rock weathering coefficient (Kf) and Geological Strength Index (GSI) was established in order to determine the rock parameters in Hoek-Brown strength criteria. By using this method, the estimates of the surrounding rock mechanical parameters were located within standard ranges. When estimates were applied to simulate the vault settlement of tunnel, the obtained error between simulated and monitored results was within the allowable range. Application of this method validated the feasibility of determining the rock parameters of Hoek-Brown strength criteria, which provides a new practical way to determinate rock mass mechanical parameters of H-B strength criteria for surrounding rock in highway tunnel.

rock mechanics; geological strength index (GSI); rock complete coefficient (Kv); rock weathering coefficient (Kf); surrounding rock classification

2016-01-12

河北省交通廳重點科技計劃資助項目(201302025)

徐東強(1958-)，男，河北藁城人，教授，從事軟土地基處理與遂道工程研究；E-mail：xudq58@163.com

U451

A

1672-7029(2016)11-2168-06