侧向高应力裂隙岩体强度确定方法

摘要

本发明涉及矿业工程，属于一种大体积裂隙岩体在侧向高应力作用下裂隙岩体抗剪强度，裂隙岩体等围压三轴抗压强度的简易确定方法。其特征是在大体积裂隙岩体上测取完整岩石小试块的单轴抗压强度，确定待测岩体的岩石类型常量和评价岩体的地质强度指标后，建立岩体的霍克－布朗准则。及摩尔库伦准则，经分析即可得到在侧向高应力作用下裂隙岩体的抗剪强度，裂隙岩体等围压三轴抗压强度。使用该发明可以节省大量现场大体积裂隙岩体强度实验费用，不需使用特殊的岩体强度实验设备，即可得到大体积裂隙岩体的抗剪强度和等围压三轴抗压强度。该发明具有成本低，实现方法简易，对于确定深部裂隙岩体的强度参数，很有实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及矿业工程，属于一种大体积裂隙岩体强度的简易确定方法。

技术背景

本发明所涉及的在侧向高应力作用下大体积裂隙岩体强度的简易确定方法，尚未见诸于相关的专利文献报道。在文献(Hoek E，Brown E.T.Practicalestimates of rock mass strength《Int.J.Rock Mech.and Min.Sci》，1997，34(8)：1165-1187)中虽然提出了岩体地质强度指标的概念，但对如何确定裂隙岩体强度只列出了最终结果，并未提及具体的实施方法及过程。且无侧向高应力作用下裂隙岩体强度的确定方法。

岩体的抗剪强度是指岩体抵抗剪切作用的能力，是反映岩体力学性质的重要参数之一，在工程设计中是很重要的基本参数。在现场做岩体抗剪强度如用常规方法如直剪法等，其实验成本高昂，工程费用昂贵，花费时间长，且其实验样本有限，满足不了工程设计的起码要求。提出一种简易的，费用低廉的测试实验方法，确定大体积裂隙岩体的抗剪强度和裂隙岩体三轴抗压强度，是本领域内迫切需要解决的问题之一。

发明内容

本发明的提出，旨在设计一种在侧向高应力作用下(σ_侧＞0.25σ_c)裂隙岩体抗剪强度，裂隙岩体等围压三轴抗压强度的简易确定方法和具体的实施过程，从而简易经济地确定大体积裂隙岩体的强度。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种侧向高应力裂隙岩体强度的确定方法，其特征在于工艺过程包括以下步骤：

(1)在待测的大体积裂隙岩体上，取完整岩石小试块，加工成标准圆柱体或方柱体试块；

(2)在单轴抗压实验机上，测取该小试块岩石的单轴抗压强度σ_c；

(3)查表1确定待测岩体的岩石类型常量m_I；

(4)参照表2评价岩体的地质强度指标GSI；

(5)按下述公式建立岩体的Hoek-Brown准则：

${\sigma }_1={\sigma }_3+{\sigma }_c{(\frac{m_b}{{\sigma }_c}{\sigma }_3+s)}^{\alpha }---\left(1\right)$

m_b＝m_iexp[(GSI-100)/28]  m_i见表1

其中：

σ₁-岩体破坏时的最大主应力，Mpa

σ₃-岩体破坏时的最小主应力，Mpa

σ_C-裂隙岩体完整岩石试块的单轴抗压强度，Mpa

m_b，s，α-岩体物性常数，无量纲

由表2中查得的GSI，若GSI＞25的岩体：取s＝exp[(GSI-100)/9]

α＝0.5

对于GSI＜25的岩体：s＝0  α＝0.65-GSI/200

(6)对Hoek-Brown准则相关量按下式进行回归分析：

σ₁＝kσ₃+b    (2)

对于节理化裂隙岩体在侧向高应力作用下，

σ₃必须为：    σ₃∈[0.25σ_c，σ_c]

(7)由摩尔库伦准则知：

${\sigma }_1=\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }{\sigma }_3+\frac{2C\cos \phi }{1-\sin \phi }---\left(3\right)$

其中：c-岩体的内聚力。Mpa

Ф-岩体的内摩擦角。度

(8)将Hoek-Brown准则相关量回归分析式(2)与摩尔库伦准则式

(3)相对比，可得：

$\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }=k$$\frac{2C\cos \phi }{1-\sin \phi }=b---\left(4\right)$

经比较分析，可得出该大体积裂隙岩体的抗剪强度，裂隙岩体等围压三轴抗压强度。

与现有技术相比较，本发明只需做组成岩体的完整岩石小试块的单轴抗压强度σ_c实验和现场评价确定岩体的地质强度指标GSI，就可得到大体积裂隙岩体的抗剪强度，裂隙岩体等围压三轴抗压强度。其优点主要表现在：

(1)本发明费用低廉，实现简易，可代替昂贵费时的现场大体积裂隙岩体的抗剪强度实验常规方法，无需专用的其它昂贵的实验设备。因此，容易在现场推广使用。使用本发明，可节省大量的现场岩体强度实验设备和可带来非常显著的经济效益。

(2)本发明可广泛应用于岩质高边坡工程，合理边坡角的确定，为防止地质灾害如滑坡等提供科学的依据；也可广泛应用于水利水电工程中大型地下厂房的设计，坝基岩体稳定性分析，大坝高边坡设计，大型地下空间工程和地下空间利用，铁路隧道工程，高速公路隧道工程，采矿工程等等诸多领域。本发明对于确定深部裂隙岩体的强度与力学参数，很有实用价值。

附图说明

本发明有附图四幅，其中：

图1是表1由岩石类型所决定的HOEK-BROWN常量m_i。

图2是表2岩体地质强度指标GSI。

图3是表3回归分析表。

图4是表4回归分析表。

具体实施方式

在待测的大体积裂隙岩体上，取完整岩石试块，加工成标准圆柱体或方柱体试块；在单轴抗压实验机上，测取该试块岩石的单轴抗压强度σ_c；

(1)由表1确定岩石类型常量m_i

(2)由表2确定待测岩体地质强度指标GSI；

(3)建立岩体的Hoek-Brown准则；

${\sigma }_1={\sigma }_3+{\sigma }_c{(\frac{m_b}{{\sigma }_c}{\sigma }_3+s)}^{\alpha }---\left(1\right)$

m_b＝m_iexp[(GSI-100)/28]  m_i见表1

对于GSI＞25的岩体：s＝exp[(GSI-100)/9]  α＝0.5

对于GSI＜25的岩体：s＝0  α＝0.65-GSI/200

(4)对Hoek-Brown准则进行回归分析；

σ₁＝kσ₃+b    (2)

必须强调，在侧向高应力作用下，σ₃必须为：

σ₃∈[0.25σ_c，σ_c]

(5)由摩尔库伦准则：

${\sigma }_1=\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }{\sigma }_3+\frac{2C\cos \phi }{1-\sin \phi }---\left(3\right)$

(6)将Hoek-Brown准则与摩尔库伦准则相对比：

$\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }=k$$\frac{2C\cos \phi }{1-\sin \phi }=b---\left(4\right)$

(7)由(4)式可得出该裂隙岩体的抗剪强度；由(2)式可得出该大体积裂隙岩体在不同侧向等围压σ₃下的三轴抗压强度。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

该岩体为精细千枚岩，岩体结构属于“非常块状”，岩体表面为光滑中等风化的表面，表面条件属于“比较好的”，已知完整岩块单轴抗压强度σ_c＝85Mpa，由表1精细千枚岩的岩石类型常量m_I＝10，由表2可确定该岩体的地质强度指标GSI＝45，而m_b＝m_I exp[(GSI-100)/28]＝1.40245

s＝exp[(GSI-100)/9]＝0.002218，α＝0.5

建立该岩体的Hoek-Brown准则：

${\sigma }_1={\sigma }_3+85\sqrt{0.0165{\sigma }_3+0.002218}---\left(5\right)$

对该式在σ₃∈[0.25σ_c，σ_c]＝[22，85]范围内进行回归分析见表3将回归分析结果整理成：

σ₁＝1.776σ₃+37.083(6)

$\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }=1.776$$\frac{2C\cos \phi }{1-\sin \phi }=37.083---\left(7\right)$

由式(7)可得岩体1的抗剪强度c＝13.913Mpa，φ＝16.233°；该岩体在不同侧向等围压σ₃下的三轴抗压强度可由(6)得到。

举例2：

该岩体为砂岩，岩体结构属于“块状/褶曲”，岩体表面条件属于“非常差的”，已知完整岩块单轴抗压强度σ_c＝10Mpa，由表1可知砂岩岩石类型常量m_I＝19，由表2可确定该岩体的地质强度指标GSI＝20，而m_b＝m_I exp[(GSI-100)/28]＝1.091219766，s＝0，α＝0.55，

建立该岩体的Hoek-Brown准则：

σ₁＝σ₃+2.957σ₃^0.55    (8)

对该式在σ₃＝[2.5，10]范围内进行回归分析见表4

将回归分析结果整理成：

σ₁＝1.738σ₃+3.332    (9)

$\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }=1.738$$\frac{2C\cos \phi }{1-\sin \phi }=3.332---\left(10\right)$

由(10)式可得该岩体的抗剪强度，c＝1.264Mpa  φ＝15.637°；该岩体在不同侧向等围压σ³下的三轴抗压强度可由式(9)得到。