基于巖體力學分類法的巖體經驗強度指標確立

胡少華 熊齊歡

(1.紫金礦業集團股份有限公司紫金山金銅礦;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

巖體力學強度參數是眾多巖土工程中的力學分析基礎，該指標的確定是巖質邊坡穩定性分析中最關鍵的問題之一[1-3]。諸多文獻表明[4-6]，巖體力學強度參數的確定是巖土工程中的一大難點，目前確定該參數主要有試驗法、反演分析法、數值分析法和經驗公式法。試驗法是最能客觀反映巖體強度參數的方法，但是該方法工程造價昂貴、試驗周期長，而且試驗結果與試驗場地、試驗人員素質等諸多因素有關。反演分析方法多用于已經發生或正在發生巖體破壞的邊坡，所得到的結果往往比較可靠。李志廣等[7]采用反分析法對某不穩定斜坡進行強度參數分析，并對反演分析結果和室內試驗結果進行對比分析，兩者結果相近；劉鵬[8]對某路塹邊坡進行反演分析，并認為對概率破壞給出的破壞面進行反分析時，反演結果更加可靠，具有工程指導意義。對于完整、尚未發生破壞的巖質邊坡評價時，反演分析法無法使用。數值分析的辦法也被廣泛運用，積累了一定的工程經驗。經驗法又包括費辛柯法、吉格法、Hoke-Brown強度折減法，該方法是在完整巖石強度與強度指標的基礎上，根據巖體的性質及巖體中的結構面情況綜合折減分析，這類方法由于操作性強、折減過程針對性強、折減結果相對可靠而被廣泛應用到邊坡、隧道等諸多工程領域，同時也積累了大量的工程經驗。張永杰等[2]在巖體結構面等級劃分(SCR)和巖體等級劃分(SR)的基礎上，結合區間理論分析GSI的大??；韓現明等[4]采用GSI地質強度指標分類和Hoke-Brown強度破壞理論對金川二礦區礦柱進行了巖體強度參數分析。

本文根據GSI與RMR的關系，從邊坡巖體的單軸抗壓強度、巖體質量指標、結構面密度、節理情況、地下水情況以及邊坡高度等因素對巖體進行綜合評分，對巖體地質強度指標GSI進行量化分析，獲取紫金山金銅礦露天采場邊坡巖體強度指標，為邊坡穩定性評價與數值分析提供基礎數據。

1 基于GIS巖體強度參數取值

工程巖體是由結構面和結構面切割形成的巖塊組成，結構面的差異使得工程巖體存在較大的差異性，為了更好地在工程勘察、設計與施工過程中對巖體進行區分，需要對由不同巖性和結構面組成的巖體進行劃分，其中，E.Hoke提出的GSI巖體分類體系與巖體的抗剪強度指標(Cm、φm)存在直接的聯系。

1.1 GSI巖體分級的確定

根據節理巖體地質力學指標(GSI)與節理巖體地質力學分類(RMR)的經驗關系，通過RMR的量化手段對GSI進行量化分析。

GSI=RMR-5 .

(1)

RMR是賓尼奧夫斯基根據工程經驗對巖體進行綜合評分的一種分級系統，該分級系統主要針對巖石的5項指標進行評分，然后對評分結果進行相加，即

RMR=R1+R2+R3+R4+R5,

(2)

式中，R1為針對巖體的單軸抗壓強度評分；R2為針對巖體的RQD評分；R3為針對巖體節理密度或間距的評分；R4為針對巖體節理面粗糙程度和張開程度的評分；R5為針對邊坡巖體受地下水的影響評分。其評分規則見表1。

表1 RMR評分規則

當邊坡受到地下水的影響時，在穩定性分析前應對地下滲流場進行分析，滲流場中浸潤線以下巖體受到地下水的浮托力和滲流力，在穩定性分析過程中已經充分考慮了地下水的影響，因此,E.Hoke認為在RMR評分中不能重復考慮地下水作用，地下水的影響應該取干燥狀態，即在邊坡穩定性分析中無論哪種巖體，在任何狀態下R5均取15。

在表1中，當巖體的單軸抗壓強度、RQD或節理間距落在某個區間范圍時，應該取該區間所對應的Ri(i=1,2,3,4,5)值大小，但是由于區間變化范圍較大，該區間內巖體均取相同值時，評分結果就存在一定的偏差，同時，在區間分界線兩側的巖體評分相差很大，評分結果同樣存在一定的偏差。例如當巖塊單軸抗壓強度分別為99.9,100.1和249.9 MPa時，其R1的取值分別為7，12，12，該評分結果明顯缺乏合理性，因此,工程實際中往往采用經驗內插的辦法，得到的結果更趨合理，經驗公式為

R1=0.076 8σc+1.559 2,(5≤σc≤135) ,

(3)

R2=0.199 9RQD-0.220 8,(15≤RQD≤100),

(4)

R3=0.066 9d+7.115 6,(12≤d≤200),

(5)

式中,σc為巖石單軸抗壓強度,MPa;d為巖體節理面間距,cm。

結合室內試驗結果和鉆孔描述，利用式(3)～式(5)可以計算出R1、R2和R3；根據鉆孔資料中結構面的粗糙程度和張開程度描述確定R4，前面分析中邊坡巖體R5取值15。因此，將這些結果代入到式(2)和式(1)，得出巖體的RMR和GSI評分。

1.2 廣義Hoke-Brown強度準則與巖體參數確定

E.Hoke和E.T.Brown在大量試驗的基礎上，結合格里菲斯理論和修正格里菲斯理論，總結出了一套巖體的非線性強度理論，經E.Hoke在1992年的修正與完善，給出了廣義的Hoke-Brown準則，其表達式為

(6)

其中，

(7)

(8)

(9)

式中,σ1、σ3為巖體破壞時所受到的最大主應力和最小主應力，MPa；σc為巖石單軸抗壓強度,MPa;mb、s、α為巖體材料參數;D為巖體擾動系數，當巖體處于完全擾動時取1，采用常規爆破時取1，采用控制爆破時取0.8～0.9；mi為完整巖石的材料參數，可根據巖性情況查表取值。

根據前文方法確定GSI，巖體的各類材料參數也是確定的，Hoke-Brown準則與破壞曲線便是明確的。運用Mohr-Coulomb強度準則擬合Hoke-Brown曲線，巖體的強度參數Cm、φm可按照如下公式計算

(10)

(11)

其中,

σ3n=σ3max/σc,

(12)

(13)

(14)

式中,σ3n為最大圍巖壓力與巖石單軸抗壓強度比值；σ3max為圍巖最大壓力，MPa；σcm為巖體單軸抗壓強度，MPa；γ為巖體容重，kN/m3;H為邊坡高度,m;其他符號意義同上。

在邊坡巖體地質調查中，根據各項資料計算邊坡的地質力學指標GSI，然后按照上述公式便得到邊坡巖體的強度參數。

2 工程實例應用

紫金山金銅礦露天采場邊坡坡頂最大標高為+1 012 m，坑底設計標高為+100 m，最終形成912 m 的超高陡邊坡，設計境界邊坡的穩定性是礦山安全、高效生產的基本前提條件。在對礦山高陡邊坡的穩定性分析中，查明邊坡巖性組成、獲取巖性物理力學性質指標是基礎與前提。紫金山金銅礦礦區邊坡主要有中細?；◢弾r、英安玢巖、隱爆角礫巖、構造角礫巖、地開石化中細?；◢弾r和地開石化英安玢巖。通過鉆孔巖性、節理描述，RQD統計及相應段巖石室內試驗，分別得到了節理巖體地質力學分類指標Ri(i=1，2，3，4，5)，根據式(1)、式(2)得到對應巖體的RMR和GSI指標，見表2。

表2 礦區主要巖體統計結果

從表2中可以看出,英安玢巖的地質強度指標最高，中細?；◢弾r次之，構造角礫巖的地質強度指標最低；同時,地開石化作用使得中細?；◢弾r和英安玢巖的強度有較大的損失，其中,中細?；◢弾r的GSI減少了9.6%，英安玢巖的GSI減少了14.2%。根據上述公式計算得到各類巖體的力學強度指標，按照E.Hoke的觀點，該公式計算的內聚力Cm往往比實際高出25%，因此，需要對計算Cm值進行折減，匯總后結果見表3。根據礦區最大邊坡高度912 m，在邊坡模型下得到了Hoke-Brown破壞曲線和Mohr-Coulomb擬合線，見圖1。

3 結 語

通過節理巖體力學分類RMR的定義，進行各項評分指標進行量化與計算，利用RMR與GSI的經驗關系，對節理巖體力學指標GSI進行了量化，確定了廣義Hoke-Brown準則中的各項指標，并采用Mohr-Coulomb強度準則對Hoke-Brown曲線進行擬合，得到了巖體經驗強度指標Cm、φm。結合紫金山金銅礦露天采場邊坡巖性特征，計算得出RMR、GSI指標以及構成邊坡巖體的經驗強度指標，該指標可以直接用于采場巖性評價和邊坡穩定性分析。

表3 礦區巖體強度參數計算結果

圖1 不同巖體的Mohr-Coulomb擬合曲線