巖體力學參數取值方法對比研究

劉宗建，王羽，黃欽瀚，高敖，熊力

巖體力學參數取值方法對比研究

劉宗建1，王羽2，黃欽瀚2，高敖2，熊力2

（1重慶建工集團重慶4011222重慶交通大學重慶400074）

巖體材料最重要的特征是具有復雜的變異性，參數值具有顯著的不確定性。巖體力學參數的合理取值是巖體力學研究中最困擾研究人員的瓶頸。本文對巖體參數的估計進行了有益討論，分析了巖體力學參數取值問題多種不同方法的研究狀況，這對促進巖體工程設計參數的測定和正確選擇很有意義。

巖體力學參數；參數取值；方法；不確定性

1 引言

每年重慶都要進行大量的工程建設，如高速公路、鐵路、港口碼頭等。這些工程大都涉及各類巖體，設計中必須充分了解這些巖體的物理力學性質，才能合理、科學地設計相關的結構。這就需要進行相應的現場試驗和室內試驗，以確定巖體的工程性質參數。在許多情況下，地質條件是相同或相近的，其物理力學參數應該也是相近的。因此，為減少工程建設中不必要的重復試驗，對一些中小型項目，只對相關的巖體進行簡單物理性質指標測定，然后根據經驗確定和選用有關力學性質指標，以降低工程造價，縮短工期，使工程提前發揮效益。

這就需要對已有巖體的工程性質參數進行詳盡的研究，得到較為完整和準確的數據資料，建立合理且相對準確的巖體物理參數與力學性質之間的經驗關系，供設計參考選用。

2 巖體力學參數取值國內外研究現狀分析

國內外土木工程師已從幾十年的工程實踐中逐漸摸索出數十種巖體力學參數取值方法，研究的總趨勢由經驗、半經驗、精度較差的數值計算向計算復雜、精度較高數值的分析發展，尤其是計算機的使用加快了這一過程。從國內外研究現狀看，對巖體力學參數計算值的確定，在一定設計標準內的取值和整理方法并不相同，有代表性的方法有以下幾種（見圖1）。

圖1 確定巖體力學參數方法

2.1 巖體力學試驗

用原位試驗確定巖體力學參數，能較好地反映巖體的自然特性，卻受到周期長、費用高的限制。而且，即使是通用的平板載荷試驗確定變形模量，仍顯示極大的分散性。由單軸抗壓試驗獲得值比膨脹儀的大2.5倍，而由地震方法確定的值又大于膨脹儀的2倍。可見，不同的試驗方法具有極不相同的結果。這意味著僅僅依據原位試驗是困難的，選取巖體力學參數需要通過工程判斷。原位試驗結果的分散性，在很大程度上是尺寸效應的緣故[1]。巖體的力學參數試驗誤差值隨試體尺寸增大而減小。

2.2 工程類比經驗判斷法

在缺乏試驗條件和試驗數據的情況下常采用此法，目前在工程實踐中占有一定的地位。利用已進行的原位試驗，把積累得到的數據資料加以應用類比。如建立工程巖體質量RMR與變形模量之間的預測方程；Q分類體系得分值與變形模量之間的變化范圍值等[2]。該方法在必要的經驗指導下，在一定條件下可以得到一些可供實用的結果。

2.3 數值方法

由于巖體力學參數受樣本量的限制而無法評價其精度，因而國內外學者都非常注重數值方法。例如Kulatilake根據節理幾何參數模型，運用Monte－Carlo模擬得出不同尺寸巖體試件，然后運用有限元解出強度值和變形參數，該法較好地解決了節理巖體的介質模型，且從統計的觀點來取值，研究思路完整，但計算工作量太大[3]。張武、張憲紅（1987）認為受多向節理切割的巖體是一種近似各向異性的，連續的彈性介質，探討了單向、雙向和多向節理巖體的彈性關系的表示，這種表示基于節理材料和巖體的彈性常數及節理的產狀參數。

2.4 反演分析

反分析計算可獲得巖體力學宏觀特性的綜合值，其基本思想最先由Kavangh、Gioda和Maier等人提出，Sakurai首次給出了均勻地應力與巖體彈性模量的有限元反分析數值解。近幾十年來，許多研究者做了大量研究與應用工作，并發展了彈塑性、粘彈性、粘彈塑性等非線性反分析。在確定性反分析的基礎上發展了灰色系統、模糊數學等非確定性反分析，在有限元反分析的基礎上發展了邊界元、離散元、半解析元等反分析法。但反分析對于多因素非線性情況無法保證解答的唯一性，因此反演過程及其最終取值同專家的經驗密切相關。

3 巖體力學參數取值方法比對分析

國內外巖體力學參數的各種取值方法各有特點，且在工程實踐中均普遍采用。具體對于基建工程而言，必要的經驗判斷是需要的，但應使取值過程中盡可能降低人為因素影響，使所得結果過多的反映現場客觀實際。由于工程規模大，勘探試驗工作量多且深入，因此選用何種取值方法使所得參數既準確又合理、既能反映野外地質特點又能將所有野外試驗成果盡可能利用，是一件具有實際和經濟意義的研究課題。

有些工程所選巖體力學參數不能很好地表征巖基的力學特性，并非是試驗方法不當、儀器精度不高，或者試驗數量不夠，究其原因，主要在于選取參數的方法存在著一定局限性。如作圖法、算術平均法、最小二乘法等，雖然簡便易行，但取值的精度和代表性不算太高，用于計算必然導致安全指標不能真實地反映巖體的力學特性，例如，我們利用隨機一模糊法與可靠度方法對溪洛渡電站所做c、f值與成都勘測設計院用優定斜率法給出的c、f值有些巖類相差甚多，見表1[4]。

表1 不同方法的c、f取值比較

由表1可以看出，兩種方法關于Ⅲ類圍巖的c值相差約3倍，Ⅱ類圍巖的f值相差約0.5倍。可見，采用不同取值方法，有時差別很大，利用不同參數進行設計得到的結果往往相差也很大。

試驗資料的可靠程度受試驗方法、試驗設備、環境因素（如含水情況，溫度，加載大小，試件幾寸）等多種因索影響。根據試驗成果，借助數理統計，可消除一些偶然誤差，如用pauTa準則、Chauvenet準則、Grubbs準則剔除異常值。在工程實踐中，溪洛渡電站巖體物理力學參數特征研究報告用散點圖舍去離散度較大的點也是一種很好的辦法。但由于試驗成果主要受巖體力學性質控制，分析整理資料前應對各種地質因素進行分析和歸類，其步驟如下：

(1)將試驗成果按工程地質單元分類，如溪洛渡電站按巖體風化程度的分類，巖體質量RMR分級等，以此為依據編制單項試驗成果和多項試驗成果匯總表，用數學計算方法如最小二乘法、隨機一模糊法、可靠度分析、綜合模糊評判、分形、偏最小二乘神經網絡等多種方法進行研究和計算，以得到有代表性的參數。

(2)研究各項試驗成果內在規律和相關關系，如溪洛渡電站變形模量和聲波速度之間有如下關系式，即巖體抗壓強度、變形模量與孔隙率（或吸水率）之間的關系：

E0=0.05+0.018 3VP-4.392

(3)在試驗資料整理時要重視資料的合理性，要了解試驗點的試件條件，成果的取舍要注意到試驗點的地質結構。在選取試驗指標時更要注意到相關指標的對應。如用庫侖準則選取抗剪參數時應注意到摩擦系數f和凝聚力c是兩個獨立的值，它們隨風化程度、含水量狀態不同而敏感性不一樣。一般來說，f值較穩定，c值變化較大。我們可用優定斜率法先確定摩擦系數，再確定c值上下限，由此在圖上得到低值和高值兩條直線關系式，并以下限參數作為計算值。

4 結論

巖體工程參數設計值的研究是一項重要而又困難的工作，國內外許多專家學者傾其一生才達到了在某一方面或幾個方面的先進成果。目前，巖體力學參數取值的方法和手段眾多，各具特點，未來仍有許多值得探索的方法和手段。隨著研究的深入，無疑將不斷促進人們對巖體力學參數本質屬性的進一步認識。

[1]郭培年.巖體（巖體）強度尺寸效應研究[D].中國青年巖體力學與其應用討論論文集，1994．

[2]蔡美峰等.巖體力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

[3]Hoek E.Strength of Rock&Rock Masses[J].ISRM News Journal，1994，2(2):4-16..

[4]劉漢東.巖體力學參數優選理論及應用[M].北京:黃河水利出版社，2004.

責任編輯：余詠梅

施工經驗

怎樣尋找暗埋的電線盒

建筑電氣安裝工程的預埋工作中，電線盒應依據圖紙定位安裝。但在工程實踐中，由于多種原因總有部分預埋在混凝土中的電線盒在澆筑混凝土的過程中被掩埋且位置發生了移動。為了尋找這些暗埋的移動的電線盒，通常采用注水法、敲擊法、沖擊鉆排孔法等方法尋找。但這些方法對尋找埋置較深的電線盒有一定的局限性。現總結和介紹一些其他的方法，愿與廣大同行共享。

一、調幅收音機搜索市電信號法在已知通向暗盒的管道中穿進鋼帶線，鋼帶線的頭部系一根雙芯細軟的導線并將線頭做絕緣處理。當穿至盡頭后將導線的外端接入施工臨時用電的單相電，將調幅收音機打開靠近線管，使收音機的磁棒與線路成直角，沿著信號強的軌跡移動。由于電場中攜帶著大量的雜波，可以覆蓋調幅收音機的幾乎所有頻段，所以，收音機中將收到強烈的嗡嗡聲，直至終點。這種方法也有一定的局限性，首先由于導線較細軟，容易破損，絕緣膠帶容易脫落，管路中一般有水，容易漏電，且還有信號強度不可調。如果相線平行導管內的鋼帶線產生感應，容易造成誤導等，所以不易準確和防漏電。如果受其他條件所限必須采用這種方法時，一定要采取嚴格的防觸電措施。

二、調幅收音機搜索專用信號法采用自制的信號放大發射機發射信號，用調幅收音機搜索信號。此法并非首創，不過是電路設計方面略有不同。例如，《電子愛好者叢書》中介紹一種電源線尋跡器，該尋跡器制作簡便，不過，其中涉及的關鍵零件在市場上不易購到，例如音頻檢知器567、2N3906等。結合實際條件，可采用淘汰的電視遙控器、小型功放器，制作1臺信號放大發射機。首先，電視遙控器的選用方法如下：打開調幅收音機，用遙控器接近發射遙控信號，會聽到清晰的脈沖聲，選用聲音連續、特征明顯的遙控器。將遙控器的任一開關改換為能鎖定的開關，將信號輸出端引至功率放大器的信號輸入端，地線、電源共用。但應注意，給遙控器供的電應經過電阻降壓，維持遙控器的正常工作電壓。

使用的方法很簡便。即在已知通向暗盒的管道中穿進鋼帶線，同穿入的雙芯電線應在穿入的一端短接且不需絕緣。放大器的輸出端可接一端信號正極，即可收到信號。如果信號較弱，可用正負極同時接導線的兩端信號，即可增強。搜索方法與上述方法相同。不過，值得注意的是，放大器的功率不宜太大，因為短接輸出端有可能燒毀放大器。可選用電腦臺式音箱中的放大器，其功率不過6w，且連續工作時間較短，不會出現不正常的現象。此裝置也可用于查找不宜接人弱電線路的走向或故障點。

三、音笛法有些線路由于結構鋼材的屏蔽作用或本身采用鋼管敷設將信號屏蔽，導致無法搜索。可采用手機或電腦主板上的體積較小的音笛焊接在穿入管內的導線一端，外面的一端接在上面所說的放大器輸出端，調節音量，用耳朵去聽發聲的部位即可。

Estimation of Geotechnical Parameters

The most important characteristic of geotechnical material is its complicated variability and its remarkable uncertainties of the parameters.How to decide the rock mechanics parameters is one of the most puzzled questions for geomechanical researchers.The rock mechanics,in this dissertation，is systematically studied concerning the estimation of geotechnical parameters，which is of great significance to develop the measures and proper choice of geotechnical parameters.

rock mechanics parameters；parameters decision；method；uncertainties

TU45

A

1671-9107（2012）03-0039-03

重慶市建委科技項目（110241）；重慶市教委科技項目（KJ110425）。

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.3.039

2011-10-29

劉宗建（1964-），男，高級工程師，研究方向為土木工程。