王可意,徐東強(qiáng)

(河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,天津 300401)

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定量化GSI在估計(jì)巖體力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用研究

王可意,徐東強(qiáng)

(河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,天津 300401)

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則在裂隙化巖體中得到了廣泛應(yīng)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(qiáng)度指標(biāo) (GSI)的概化關(guān)系，公路隧道工程中無法根據(jù)勘察報告給出圍巖指標(biāo)，建立與GSI的對應(yīng)關(guān)系。鑒于此，必須建立巖體完整系數(shù)(Kv)和巖體風(fēng)化程度系數(shù)(Kf)與GSI的定量關(guān)系，從而確定Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中所需要的巖體參數(shù)值。利用該方法估計(jì)公路隧道圍巖的力學(xué)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(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比，誤差在允許范圍之內(nèi)。通過算例驗(yàn)證該方法確定H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則中巖體參數(shù)的可行性，為公路隧道不同圍巖的H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體參數(shù)值的確定提供了新的快速、實(shí)用的方法。

巖石力學(xué);地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)( GSI);完整性系數(shù)(Kv);風(fēng)化系數(shù)(Kf);圍巖分級

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則由于綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖塊強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)等多種因素的影響，在實(shí)際工程中可更好的反映巖體的破壞特征，得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。改進(jìn)的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則提出以后，許多學(xué)者對Hoek-Brown參數(shù)的定量估計(jì)進(jìn)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(jìn)行結(jié)合，來估計(jì)山嶺隧道公路圍巖的力學(xué)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(guān)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(jì)大體積節(jié)理化巖體強(qiáng)度與力學(xué)參數(shù)，然而沒有考慮到巖體表面狀況對GSI的影響，且實(shí)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(qiáng)度準(zhǔn)則，得出了GSI與[BQ]的對應(yīng)關(guān)系，并將[BQ]值帶入Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中對其進(jìn)行了改進(jìn)。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(dá)式有巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響，而E.Hoek提出估計(jì)GSI的因素主要有兩個：巖體結(jié)構(gòu)類型和巖體風(fēng)化狀況，與巖體單軸抗壓強(qiáng)度無關(guān)，用[BQ]來估計(jì)GSI值顯然不夠精確。鑒于此，蘇永華等[10]提出了巖石風(fēng)化指數(shù)和巖體塊度指數(shù)和GSI的對應(yīng)關(guān)系，考慮到了決定GSI的2個主要因素，然而風(fēng)化指數(shù)的獲得需要計(jì)算化學(xué)風(fēng)化特征值，對巖體進(jìn)行微觀礦物成分含量的計(jì)算，在實(shí)際工程中應(yīng)用較復(fù)雜?？梢钥闯?，以上研究均從不同角度建立與GSI的關(guān)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(shè)計(jì)規(guī)范》和勘察報告的基礎(chǔ)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(fēng)化系數(shù)Kf對地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI進(jìn)行定量劃分，從而可以獲取較為精確的H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)值。

1 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則

Hoek等[12]于1992年提出了廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則的研究對象從巖石轉(zhuǎn)變到實(shí)際工程巖體。表達(dá)式為：

(1)

式中：σ1和σ3分別為巖石破壞時的最大和最小主應(yīng)力，MPa；σc為完整巖塊單軸抗壓強(qiáng)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(yàn)參數(shù)。

以式(1)為基礎(chǔ)，E.Hoek和E.J.Brown導(dǎo)出了相關(guān)巖體力學(xué)參數(shù)的估算公式：

(2)

(3)

式中：σcm為巖體的抗壓強(qiáng)度；σtm為巖體抗拉強(qiáng)度。

后來，E. Hoek 等[13-14]提出了基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(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(yīng)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(shí)驗(yàn)室和工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，提出了覆蓋多種巖石的mi取值方法參考文獻(xiàn)[15]。

2 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI量化方法

從式(4)中可以看出，想要確定Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中巖體的力學(xué)參數(shù)，就要準(zhǔn)確的得到GSI值，然而E. Hoek 對 GSI 只給出了一個關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)類型和巖體風(fēng)化狀況的概化的區(qū)間范圍，沒有提出定量化方法，導(dǎo)致 GSI 取值主觀性強(qiáng)，所估算的巖體力學(xué)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(fēng)化系數(shù)對 GSI中的巖體結(jié)構(gòu)和風(fēng)化狀況因素進(jìn)行量化。

2.1 巖體完整程度

《公路隧道設(shè)計(jì)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(yīng)針對不同的工程地質(zhì)巖組或巖性段，選擇有代表性的點(diǎn)段，測定圍巖彈性縱波波速，并應(yīng)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(dāng)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(guān)系可參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和文獻(xiàn)[5]得出如下的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示：

2.2 巖體風(fēng)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(fēng)化程度參數(shù)指標(biāo)為波速比和風(fēng)化系數(shù)，本文選用風(fēng)化系數(shù)Kf來描述巖體風(fēng)化程度?！稁r土工程勘察規(guī)范》中將風(fēng)化系數(shù)定義為風(fēng)化巖石與新鮮巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度之比。風(fēng)化程度的定性描述和風(fēng)化系數(shù)的定量關(guān)系如表3所示：

表1 巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)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(yīng)的巖體完整系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

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

表3 巖體風(fēng)化系數(shù)與風(fēng)化等級關(guān)系

Table 3 Relationship of rock weathering coefficients and weathered hierarchical

風(fēng)化程度Kf風(fēng)化程度定性描述未風(fēng)化0.9-1.0巖質(zhì)新鮮,偶見風(fēng)化痕跡微風(fēng)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(fēng)化痕跡中等風(fēng)化0.4-0.8結(jié)構(gòu)部分破壞,沿節(jié)理面有次生礦物,風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體被切割成巖塊強(qiáng)風(fēng)化0.4-0.2結(jié)構(gòu)大部分破壞,礦物成分顯著變化,風(fēng)化裂隙很發(fā)育,巖體破碎全風(fēng)化<0.2結(jié)構(gòu)基本破壞,但尚可辨認(rèn),有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

將表 2 和表 3 對巖體結(jié)構(gòu)和巖體風(fēng)化狀況的量化指標(biāo)分別嵌入表 1 相應(yīng)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(fēng)化的定性描述與《巖土工程勘察規(guī)范》中未風(fēng)化程度的定性描述基本一致，而規(guī)范中將未風(fēng)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(yīng)嵌入表中，與文獻(xiàn)[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(diǎn)，將該點(diǎn)在GSI的兩條線中間進(jìn)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(shè)計(jì)凈寬14.5 m，洞凈高6.0 m。

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

根據(jù)地質(zhì)鉆孔顯示隧道圍巖主要為風(fēng)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(fēng)化系數(shù)Kf約為0.4。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG-T D70-2010)，ZK68+445～ZK68+535利用圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值 [BQ]=350.5，屬Ⅲ2級圍巖。

3.2 巖體參數(shù)估計(jì)

查表3得，GSI=49，由文獻(xiàn)[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(qiáng)度σcm=1.823 MPa，抗拉強(qiáng)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(shè)計(jì)細(xì)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(jì)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(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證使用本方法對GSI量化從而估算霍克布朗強(qiáng)度準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)，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(shí)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(shí)際，具有合理性。

3.4 同類方法對比分析

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

GSI=0.2[BQ]-30

同樣利用勘察報告也可得出[BQ]值，實(shí)現(xiàn)了對GSI的定量化分析。然而，《公路隧道設(shè)計(jì)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(qiáng)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(yīng)力狀態(tài)系數(shù)決定，缺少對巖體風(fēng)化的描述，因此直接采用[BQ]值來估計(jì)GSI值不夠精確，且估計(jì)值偏小。

4 結(jié)論

1)采用巖體完整系數(shù)Kv和巖體風(fēng)化系數(shù)Kf對巖石地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行估計(jì)，結(jié)果與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》相符，并與實(shí)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(fēng)化系數(shù)Kf，便于工程應(yīng)用，并通過實(shí)例驗(yàn)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(diǎn)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201302025)

徐東強(qiáng)(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