巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)選取方法研究

王衛(wèi)華, 李 坤, 秦亞光, 嚴(yán) 哲, 唐 修

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)選取方法研究

王衛(wèi)華, 李 坤, 秦亞光, 嚴(yán) 哲, 唐 修

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

在工程巖體數(shù)值模擬中,為了選取合理的巖體力學(xué)參數(shù),克服傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)折減法的不足,文章引入模糊數(shù)學(xué)法對(duì)所用巖石的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減。取某礦一條代表性礦脈的4種巖石,通過(guò)室內(nèi)劈裂拉伸試驗(yàn)、抗壓和剪切等試驗(yàn)獲得了這4種巖石的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù);采用文中方法進(jìn)行計(jì)算,求得折減系數(shù),由此得到新的巖石力學(xué)參數(shù)。根據(jù)計(jì)算所得的巖體力學(xué)參數(shù),運(yùn)用FLAC 3D對(duì)該礦700中段運(yùn)輸大巷巷道開(kāi)挖不支護(hù)和實(shí)施錨噴支護(hù)后的圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行數(shù)值模擬,其模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的情況基本一致,表明該方法是一種有效合理的方法。

經(jīng)驗(yàn)折減;巖體力學(xué)參數(shù);模糊數(shù)學(xué);數(shù)值模擬

在巖石力學(xué)的研究和發(fā)展過(guò)程中,其難題之一是工程巖體的力學(xué)參數(shù)的合理確定[1]。巖體力學(xué)參數(shù)的確定是邊坡工程穩(wěn)定性分析、支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作,是進(jìn)行巖石工程數(shù)值分析的主要參數(shù),直接影響數(shù)值分析結(jié)果[2-4],因此,巖體力學(xué)參數(shù)的正確選取在巖體工程上具有重要意義。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試往往限制因素很多,在進(jìn)行巖體工程數(shù)值模擬計(jì)算分析時(shí),往往是以室內(nèi)測(cè)試的巖塊力學(xué)參數(shù)作為計(jì)算分析的基礎(chǔ),得出的模擬結(jié)果與工程實(shí)際有較大誤差,因此,多年來(lái)人們一直致力于尋找合理的方法對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。

經(jīng)驗(yàn)折減法采用基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)際資料得出的經(jīng)驗(yàn)公式,可以得出較為合理的巖體力學(xué)參數(shù),是一種比較行之有效的確定巖體力學(xué)參數(shù)的方法[5]。因此,經(jīng)驗(yàn)折減法已成為巖體工程中力學(xué)參數(shù)選取與應(yīng)用的主要研究方法,在巖體工程界得到了廣泛應(yīng)用。Hoek和Brown通過(guò)對(duì)大量巖體的三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,提出了Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,并給出了各種巖體和巖石的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[6],由于該準(zhǔn)則與工程實(shí)際較為接近,因此得到了廣泛的應(yīng)用,也為后人的研究奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7]在該準(zhǔn)則基礎(chǔ)上,建立了由巖體波速估算地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和巖體擾動(dòng)參數(shù)D的計(jì)算公式，并給出了巖體波速預(yù)測(cè)巖體力學(xué)參數(shù)方法;文獻(xiàn)[8]考慮巖體爆破損傷及其累積效應(yīng),引入完整性系數(shù)Kv和損傷因子D,建立了可以表征巖體爆破累積損傷效應(yīng)、巖體爆破擾動(dòng)狀態(tài)及其力學(xué)參數(shù)弱化程度的mb和s的取值方法;文獻(xiàn)[9]利用損傷力學(xué)和Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)的選取,從而為巖體工程數(shù)值模擬提供了較可靠的參數(shù);M.Georgi 對(duì)片麻巖、大理巖等15種堅(jiān)硬的火山巖和變質(zhì)巖的巖石強(qiáng)度和巖體強(qiáng)度進(jìn)行研究后,也推導(dǎo)出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式[10]。

但是因?yàn)楦鱾€(gè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算同一巖體時(shí)離散性很大[11],而影響巖體力學(xué)的因素很多,各個(gè)因素的影響程度又不一樣,很難確定每種因素的折減程度,所以使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)折減法得出的數(shù)值模擬結(jié)果往往與工程實(shí)際有較大誤差[12]。

本文在室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和前人研究的基礎(chǔ)上,引進(jìn)模糊數(shù)學(xué)來(lái)對(duì)巖石強(qiáng)度進(jìn)行模糊折減,也就是經(jīng)過(guò)模糊評(píng)價(jià)獲得一個(gè)折減系數(shù)φ,對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取,并以某礦巷道開(kāi)挖不支護(hù)和實(shí)施錨噴支護(hù)后700中段運(yùn)輸大巷的圍巖塑性區(qū)分布為例進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證,結(jié)果表明該方法與工程實(shí)際情況基本一致,為相關(guān)研究提供了新的思路。

1 基于模糊數(shù)學(xué)法的模型

表1 比率標(biāo)度及其定義

(1)

2 試驗(yàn)概況與結(jié)果

本次試驗(yàn)所有巖樣均取自同一條礦脈及其上下盤具有代表性的4種礦巖類型,對(duì)巖樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件制作,共獲得標(biāo)準(zhǔn)試件72塊。

(1) 頂板白云巖試件18塊。編號(hào)為:T1-1～T1-6(用于拉伸試驗(yàn)),T2-1～T2-6(用于剪切試驗(yàn)),T3-1～T3-6(用于單軸壓縮試驗(yàn))。

(2) 底板頁(yè)巖和砂巖試件36塊。砂巖編號(hào)為:Ba1-1～Ba1-6(用于拉伸試驗(yàn)),Ba2-1～Ba2-6(用于剪切試驗(yàn)),Ba3-1～Ba3-6(用于單軸壓縮試驗(yàn))。頁(yè)巖編號(hào)為:Bb1-1～Bb1-6(用于拉伸試驗(yàn)),Bb2-1～Bb2-6(用于剪切試驗(yàn)),Bb3-1～Bb3-6(用于單軸壓縮試驗(yàn))。

(3) 磷礦石試件18塊。編號(hào)為:O1-1～O1-6(用于拉伸試驗(yàn)),O2-1～O2-6(用于剪切試驗(yàn)),O3-1～O3-6(用于單軸壓縮試驗(yàn))。試驗(yàn)得出的礦巖主要力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表2所列。巖石試件試驗(yàn)后變形、破壞形態(tài)如圖1所示。

表2 礦巖主要力學(xué)性質(zhì)

圖1 試驗(yàn)后的試件形態(tài)

3 方法分析

首先根據(jù)表1的1～9標(biāo)度法,用模糊層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),將眾多影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素歸納為4個(gè):巖體結(jié)構(gòu)面f1、巖體結(jié)構(gòu)完整程度f(wàn)2、地下水f3、風(fēng)化程度f(wàn)4。因素權(quán)向量判斷矩陣見(jiàn)表3所列。

表3 因素權(quán)向量判斷矩陣

通過(guò)文獻(xiàn)[14-17],確定巖體抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)的備擇集為(0.5,0.4,0.3,0.2,0.1)。

對(duì)f1、f2、f3及f4評(píng)價(jià)的判斷矩陣分別見(jiàn)表4～表7所列。

表4 對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面f1評(píng)價(jià)的判斷矩陣

表5 對(duì)巖體完整程度f(wàn)2評(píng)價(jià)的判斷矩陣

表6 對(duì)地下水f3評(píng)價(jià)的判斷矩陣

表7 對(duì)風(fēng)化程度f(wàn)4評(píng)價(jià)的判斷矩陣

運(yùn)用Matlab軟件得到因素集的權(quán)向量為:

AT={0.869 0.438 0.195 0.122}。

B={bj}={rij}AT=

{0.137 0.285 0.496 1.028 1.009}T,

利用(1)式,即可得到巖體抗剪強(qiáng)度的折減系數(shù)Kτ=0.216 317 995≈0.216,即取0.216。

同理,可以得到其他巖體力學(xué)參數(shù)的折減系數(shù)。由于篇幅限制,不一一列舉計(jì)算過(guò)程,計(jì)算結(jié)果如下:彈性模量,KE=0.25;泊松比,Kμ=1.0;抗壓強(qiáng)度,KR=0.178;內(nèi)摩擦角,Kφ=0.246;抗拉強(qiáng)度,Kt=0.151。

根據(jù)以上折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到本次模擬使用的巖石力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表8所列。

表8 模擬巖體力學(xué)參數(shù)選取結(jié)果

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

本次模擬對(duì)象是該礦700中段運(yùn)輸大巷。模擬范圍(長(zhǎng)×高)為52 m×40 m,模型采用應(yīng)力位移邊界條件。模型表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力,模型兩側(cè)施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力,模型下表面垂直位移固定,左、右邊界約束側(cè)向位移,所模擬巷道支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 模擬巷道支護(hù)斷面

水泥砂漿錨桿直徑φ=20 mm,長(zhǎng)度L=2 500 mm,間距、排距分別為800、1 000 mm;管縫錨桿L=1 500 mm,間距、排距分別為2 000、1 000 mm;鋼筋網(wǎng)的鋼筋直徑φ=6 mm,網(wǎng)度為150 mm×150 mm。巷道錨噴支護(hù)數(shù)值模擬模型如圖3所示。

圖3 巷道錨噴支護(hù)數(shù)值模擬模型

限于篇幅,本文只針對(duì)巷道開(kāi)挖不支護(hù)和實(shí)施錨噴支護(hù)后700中段運(yùn)輸大巷的圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖4a可以看出,由于圍巖松軟,巷道在開(kāi)挖后,底板塑性區(qū)最大,大約為5 m,兩幫塑性區(qū)寬度約為4 m,頂板約為3 m。從圖4b可以看出,錨噴支護(hù)后,塑性區(qū)明顯減小,說(shuō)明支護(hù)阻力是影響圍巖塑性區(qū)的主要因素,隨著支護(hù)阻力的增加,塑性區(qū)也在逐漸退化。根據(jù)本文計(jì)算所得的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程數(shù)值模擬,其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查觀測(cè)的情況基本一致,說(shuō)明該方法具有較高的可信度和精確性。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果

5 結(jié) 論

優(yōu)化選取巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)工程實(shí)際巖體數(shù)值模擬結(jié)果有重要的影響。本文針對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)折減法的不足,引進(jìn)了模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行折減系數(shù)的計(jì)算,結(jié)合室內(nèi)礦巖試樣試驗(yàn)的結(jié)果,得到了新的巖石力學(xué)參數(shù),以本文計(jì)算所得到的巖體力學(xué)參數(shù)為依據(jù),對(duì)某礦巷道開(kāi)挖不支護(hù)和實(shí)施錨噴支護(hù)后700中段運(yùn)輸大巷的圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果基本一致,表明該方法行之有效,為相關(guān)研究提供了一種新的思路和方法。

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Methodofparameterselectionofrockmassmechanicalstrength

WANG Weihua, LI Kun, QIN Yaguang, YAN Zhe, TANG Xiu

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In view of the numerical simulation on the engineering rock mass, and in order to select the rational rock mass mechanical parameters and overcome the shortcomings of traditional experience reduction method, the fuzzy mathematics method was introduced to reduce the rock strength. Four kinds of rocks from the representative ore vein of a mine was selected, and the mechanical strength parameters of the four kinds of rocks were obtained by indoor splitting tensile test, compression and shear tests. The reduction coefficient was gotten by the presented method, and the new rock mechanical parameters were obtained. According to the obtained mechanical parameters of rock mass, the distribution of surrounding rock plastic zone of tunnel excavation without support or with bolt shotcrete support in the middle section of the road 700 of haulage roadway in the mine was simulated by FLAC 3D. The results were basically consistent with those of the field observation, thus showing the effectiveness and rationality of this method.

experience reduction; rock mass mechanical parameter; fuzzy mathematics; numerical simulation

2016-05-30；

2016-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372278)

王衛(wèi)華(1976-),男,湖南長(zhǎng)沙人,博士,中南大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.017

TU458.3

A

1003-5060(2017)10-1389-05

(責(zé)任編輯 張淑艷)