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《岩石力学》课程论文
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土木工程与建设管
岩体的强度在检测中的应用
摘要：随着地球板块的运动越来越剧烈，地震等多种地质灾害的发生，人们 清晰地认识到岩体强度的重要性。
故此，岩体强度的确定方法尤其重要。
本 文介绍试验确定法以及及估算法。
关键字：试验确定法；估算法；岩体强度
引言
目前在岩石力学与工程领域中广泛采用了数值模拟技术，但是在进行数值模拟时遇
到的最主要的困难之一就是如何准确地确定岩体强度参数以开展模拟计算。
公认比
较准确的仅限于室内岩石力学试验参数，同时现场岩体原位试验成本都十分昂贵，
因此寻找适合的岩体强度估算方法就成为摆在众多研究人员面前的一个问题。
1 岩体强度的确定方法
1．试验的确定法
（一）岩体单轴抗压强度的测定
切割成的试件。
在拟加压的试件表面抹一层水泥砂浆，将表面抹平，并在其上放置方木和工字钢组成的垫层，以便把千斤顶施加的荷载经垫层均匀传给试体。
根据试体受载截面积，计算岩体的单轴抗压强度。
（二）岩体的抗剪强度的测定
一般采用双千斤顶法：一个垂直千斤顶施加的正压力，另一个千斤顶施加的横
推力。
为使剪切面上不产生力矩效应，合力通过剪切面中心，使其接近于纯剪切破坏，另外一个千斤顶成倾斜布置。
一般采取倾角a=15°。
试验时，每组试体应有5个以
上，剪切面上应力按式（1-1）计算。
然后根据τ、σ绘制岩体的强度曲线。
F a T P sin +=
σ a f
t cos =τ （1-1）
（三）岩体三轴压缩强度试验
地下工程的受力状态是思维的，所以做三轴力学试验非常重要。
但由于现场原位三轴力学实验在技术上很复杂，只在非常必要时才进行。
现场岩体三轴试验装置，用千斤顶施加轴向荷载，用压力枕施加围压荷载。
根据围压情况可分为等围压三轴试验（32σσ=）和真三轴试验（321σσσ>>）。
研究表明，中间主应力在岩体强度中起重要作用，再多节理的岩体中尤为重要。
因此，真三轴试验越来越受重视。
而等围压三轴试验的实用性更强。
2．经验的估算法
（一）准岩体强度
这种方法实质是用某种简单的试验指标来修正岩块强度作为岩体强度的估算值。
节理，裂隙等结构面是影响岩体强度的主要因素，其分布情况可通过弹性波传
播来查明。
弹性波穿过岩体时,遇到裂隙便发生绕射或被吸收，传播速度将有所降低。
裂隙越多，波速降低越大，小尺寸试件含裂隙少，传播速度大。
因此根据弹性波在岩石试块和岩体中的传播速度比，可判断岩体中裂隙发育程度。
称此比值的平方为岩体完整性（龟裂）系数，以K 表示。
2
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=K cl ml νν （二）Hoek-Brown 经验方程
1) Hoek-Brown 强度准则的发展历史
最初的Hoek-B rown 强度准则是Hoek E 在专著《岩石地下工程》( Underground Excavations in Rock,1980)一书中发展起来的。
当时在设计地下岩石开挖工程时需要输入一些参数, 这就要求提供一个准则来估算岩体强度。
Hoek E 和Brown E T 在分析Giffith 理论和修正的Griffith 理论的基础上, 凭借自己在岩石力学方面深厚的理论功底和丰富的实践经验, 通过对大量岩石三轴试验资料和岩体现场试验成果的统计分析,用试错法导出的岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系式（2-1） , 即为Hoek-Brown 强度准则 , 也称为狭义Hoek-Brown 强度准则。
Hoek, Brown 最为突出的贡献是将数学公式与地质描述联系到了一起。
起初使用的Bieniawski 岩体分级系统( RMR 法)、后来使用的地质强度指数法(GSI 法)、随后发展完善的Hoek-Brown 准则都使用了GSI 系统。
2331c c s m σσσσσ++= )4(2
12max s m m c +-=σσ （2-1） []B
c t n c A σσσστ/)(-=
2) 新Hoek-Brown 强度准则及岩体强度估算方法
在Hoek-Brow n 强度准则2002年的版本中, 广义强度准则的形式没有发生改变, 但是与岩体质量有关的m b , s, A 有了很大的变化（式2-2） a b c s m )(1331++=σσσσσ ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-==D GSI m m i b 1428100exp ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡--=D GSI s 39100exp )(61213/2015/---+=E e GSI α 3) 工程应用
某一级水电站工程建设位于新疆维吾尔自治区北部天山西段, 伊犁哈萨克自治州东北腹地。
该水电工程处于天山纬向构造带西部的喀什河凹陷中部, 工程区域内地质构造十分发育, 属于强地质构造带, 岩体节理裂隙发育。
该水电枢纽工程包括大坝、库岸边坡和深部洞室群等, 在工程设计中需要对岩体强度进行估算分析, 以进行数值计算和数值模拟来分析水电站枢纽工程的稳定性。
在此利用最新的Hoek-Brow n 对坝址区高边坡和深部洞室群的岩体强度参数进行估算分析。
坝址区边坡高度一般为80~ 200m, 出露的岩性为凝灰岩及安山岩, 其中凝灰岩分布最为广泛, 而安山岩局部呈脉状产出, 凝灰岩岩体强度较高, 属硬质岩, 抗风化能力强, 坝址强风化层厚3~ 5m, 顺断层带时可达10~ 20 m, 强风化带岩体呈干砌块石状, 风化裂隙发育, 岩石结构发生变化, 纵波速度Vp < 2 000 m / s 。
坝址弱风化层厚度较大, 一般厚25~ 30m, 断层带可达40m, 弱风化层内断层面有风化的锈斑, 但岩体的组织结构变化不大, 顺弱风化层内的断层面附近, 零星见有经渗流冲蚀形成的小孔隙和空洞, 弱风化层纵波速度
Vp = 2 000~ 3 000m / s 。
利用RMR 法对岩体进行分级可得岩体为Ⅲ级, RMR = 55。
对工程区的岩体取样进行室内岩石力学试验。
试验参数见表1(表1中仅给出利用Hoek-B row n 准则进行岩体强度估算时所需的参数)。
利用H oek-B rown 准则对边坡岩体强度参数进行估算分析.
深部洞室群埋深为150~ 250m, 岩性也为凝灰岩及安山岩, 其中凝灰岩分布最为广泛, 而安山岩局部呈脉状产出, 洞身段处于弱风化- 新鲜岩体中。
凝灰岩岩体强度较高, 属硬质岩, 镶嵌碎裂结构或块状结构, 弹性波速为VP = 2 000~ 3 500 m / s, 完整性系数为K V = 0. 65。
利用RMR 法对岩体进行分级可得岩体为III级,RMR = 56。
利用Hoek-Brown准则对洞室岩体强度参数进行估算分析。
由上述结果可以看出, 利用最新Hoekk-Brow n岩体强度参数估算方法计算得出的岩体强度参数十分合理。
这在利用这些参数进行高边坡稳定性分析和洞室群稳定性分析中也得到了充分的验证, 根据经验也可以看出以上岩体参数是非常合理的。
2结论
通过以上论述可以看出各种方法中，最新Hoek-Brown准则及岩体强度参数估算方法基本上解决了现场工程岩体强度估算的问题, 应用前景良好, 使用方便。
而且通过工程应用表明, 利用该方法得出的岩体参数十分合理, 可以有效地应用于工程岩体数值计算和模拟。
该方法需要的基础数据少, 可以有效地利用现场工程地质调查数据来对岩体强度参数做出估算, 从而节约了大量的现场模拟试验和室内试验, 且不会降低工程所要求的精度。
因此建议有条件的工程单位将该方法与室内、现场试验结合, 广泛开展应用研究, 从而实现降低成本, 提高工程岩体力学计算精度的目的。
参考文献
王成虎，何满潮。
Hoek-Brown岩体强度估算新方法及其工程应用【J】西安科技大学学报,1672- 9315( 2006) 04- 0456- 04
张永兴，岩石力学【M】中国建筑工业出版社，2008。