巖體力學強度參數選取方法研究

王衛華, 李 坤, 秦亞光, 嚴 哲, 唐 修

(中南大學 資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083)

巖體力學強度參數選取方法研究

王衛華, 李 坤, 秦亞光, 嚴 哲, 唐 修

(中南大學 資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083)

在工程巖體數值模擬中,為了選取合理的巖體力學參數,克服傳統經驗折減法的不足,文章引入模糊數學法對所用巖石的力學強度參數進行折減。取某礦一條代表性礦脈的4種巖石,通過室內劈裂拉伸試驗、抗壓和剪切等試驗獲得了這4種巖石的力學強度參數;采用文中方法進行計算,求得折減系數,由此得到新的巖石力學參數。根據計算所得的巖體力學參數,運用FLAC 3D對該礦700中段運輸大巷巷道開挖不支護和實施錨噴支護后的圍巖塑性區分布進行數值模擬,其模擬結果與現場觀測的情況基本一致,表明該方法是一種有效合理的方法。

經驗折減;巖體力學參數;模糊數學;數值模擬

在巖石力學的研究和發展過程中,其難題之一是工程巖體的力學參數的合理確定[1]。巖體力學參數的確定是邊坡工程穩定性分析、支護設計的基礎工作,是進行巖石工程數值分析的主要參數,直接影響數值分析結果[2-4],因此,巖體力學參數的正確選取在巖體工程上具有重要意義。由于現場測試往往限制因素很多,在進行巖體工程數值模擬計算分析時,往往是以室內測試的巖塊力學參數作為計算分析的基礎,得出的模擬結果與工程實際有較大誤差,因此,多年來人們一直致力于尋找合理的方法對室內試驗力學參數進行優化選擇。

經驗折減法采用基于大量實驗數據和工程實際資料得出的經驗公式,可以得出較為合理的巖體力學參數,是一種比較行之有效的確定巖體力學參數的方法[5]。因此,經驗折減法已成為巖體工程中力學參數選取與應用的主要研究方法,在巖體工程界得到了廣泛應用。Hoek和Brown通過對大量巖體的三軸試驗和現場試驗成果資料進行統計分析,提出了Hoek-Brown強度準則,并給出了各種巖體和巖石的經驗參數[6],由于該準則與工程實際較為接近,因此得到了廣泛的應用,也為后人的研究奠定了基礎。文獻[7]在該準則基礎上,建立了由巖體波速估算地質強度指標GSI和巖體擾動參數D的計算公式，并給出了巖體波速預測巖體力學參數方法;文獻[8]考慮巖體爆破損傷及其累積效應,引入完整性系數Kv和損傷因子D,建立了可以表征巖體爆破累積損傷效應、巖體爆破擾動狀態及其力學參數弱化程度的mb和s的取值方法;文獻[9]利用損傷力學和Hoek-Brown準則進行節理巖體力學參數的選取,從而為巖體工程數值模擬提供了較可靠的參數;M.Georgi 對片麻巖、大理巖等15種堅硬的火山巖和變質巖的巖石強度和巖體強度進行研究后,也推導出相應的經驗公式[10]。

但是因為各個經驗公式計算同一巖體時離散性很大[11],而影響巖體力學的因素很多,各個因素的影響程度又不一樣,很難確定每種因素的折減程度,所以使用傳統的經驗折減法得出的數值模擬結果往往與工程實際有較大誤差[12]。

本文在室內試驗結果和前人研究的基礎上,引進模糊數學來對巖石強度進行模糊折減,也就是經過模糊評價獲得一個折減系數φ,對巖體力學參數進行優化選取,并以某礦巷道開挖不支護和實施錨噴支護后700中段運輸大巷的圍巖塑性區分布為例進行了數值模擬驗證,結果表明該方法與工程實際情況基本一致,為相關研究提供了新的思路。

1 基于模糊數學法的模型

表1 比率標度及其定義

(1)

2 試驗概況與結果

本次試驗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,對巖樣進行標準試件制作,共獲得標準試件72塊。

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

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

(3) 磷礦石試件18塊。編號為:O1-1～O1-6(用于拉伸試驗),O2-1～O2-6(用于剪切試驗),O3-1～O3-6(用于單軸壓縮試驗)。試驗得出的礦巖主要力學強度參數見表2所列。巖石試件試驗后變形、破壞形態如圖1所示。

表2 礦巖主要力學性質

圖1 試驗后的試件形態

3 方法分析

首先根據表1的1～9標度法,用模糊層次分析法進行綜合評價,將眾多影響巖石力學性質的因素歸納為4個:巖體結構面f1、巖體結構完整程度f2、地下水f3、風化程度f4。因素權向量判斷矩陣見表3所列。

表3 因素權向量判斷矩陣

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

對f1、f2、f3及f4評價的判斷矩陣分別見表4～表7所列。

表4 對巖體結構面f1評價的判斷矩陣

表5 對巖體完整程度f2評價的判斷矩陣

表6 對地下水f3評價的判斷矩陣

表7 對風化程度f4評價的判斷矩陣

運用Matlab軟件得到因素集的權向量為:

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度的折減系數Kτ=0.216 317 995≈0.216,即取0.216。

同理,可以得到其他巖體力學參數的折減系數。由于篇幅限制,不一一列舉計算過程,計算結果如下:彈性模量,KE=0.25;泊松比,Kμ=1.0;抗壓強度,KR=0.178;內摩擦角,Kφ=0.246;抗拉強度,Kt=0.151。

根據以上折減系數進行計算,得到本次模擬使用的巖石力學參數,見表8所列。

表8 模擬巖體力學參數選取結果

4 數值模擬驗證

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

圖2 模擬巷道支護斷面

水泥砂漿錨桿直徑φ=20 mm,長度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;鋼筋網的鋼筋直徑φ=6 mm,網度為150 mm×150 mm。巷道錨噴支護數值模擬模型如圖3所示。

圖3 巷道錨噴支護數值模擬模型

限于篇幅,本文只針對巷道開挖不支護和實施錨噴支護后700中段運輸大巷的圍巖塑性區分布進行數值模擬,數值模擬結果如圖4所示。

從圖4a可以看出,由于圍巖松軟,巷道在開挖后,底板塑性區最大,大約為5 m,兩幫塑性區寬度約為4 m,頂板約為3 m。從圖4b可以看出,錨噴支護后,塑性區明顯減小,說明支護阻力是影響圍巖塑性區的主要因素,隨著支護阻力的增加,塑性區也在逐漸退化。根據本文計算所得的巖體力學參數進行工程數值模擬,其結果與現場調查觀測的情況基本一致,說明該方法具有較高的可信度和精確性。

圖4 數值模擬結果

5 結 論

優化選取巖石力學參數對工程實際巖體數值模擬結果有重要的影響。本文針對傳統經驗折減法的不足,引進了模糊數學法進行折減系數的計算,結合室內礦巖試樣試驗的結果,得到了新的巖石力學參數,以本文計算所得到的巖體力學參數為依據,對某礦巷道開挖不支護和實施錨噴支護后700中段運輸大巷的圍巖塑性區分布進行了數值模擬,計算結果與現場觀測結果基本一致,表明該方法行之有效,為相關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

國家自然科學基金資助項目(41372278)

王衛華(1976-),男,湖南長沙人,博士,中南大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.017

TU458.3

A

1003-5060(2017)10-1389-05

(責任編輯 張淑艷)