巖體的力學參數有變形參數即變形模量E、剪切模量G及泊松比υ等,強度參數有cm、φm及σmc和σmt等。實驗室測得的往往是巖塊的力學參數,可以通過巖體的結構性質與巖塊的力學性質相結合,選取巖體的力學參數。

一、巖體變形參數

對于裂隙巖體,國內外都特別重視建立巖體分類指標與變形模量之間的經驗關系,并用于推求巖體的變形模量Em。

(1)比尼衛斯基(Bieniawski,1978)研究了大量巖體變形模量實測資料,建立了分類指標RMR值和變形模量Em間的統計關系,公式如下:

Em=2RMR-100 (6-9)

式(6-9)只適用于RMR>55的巖體。為彌補這一不足,Serafim & Pereira(1983)根據收集到的資料以及Bieniawski的數據,擬合出如下方程,以用于RMR≤55的巖體:

Em=10(6-10)

(2)挪威的Bhasin & Barton 等人(1993)研究了巖體分類指標Q值、縱波速度Vp(m/s)和巖體平均變形模量Emean(GPa)間的關系,提出了如下的經驗關系:

Vp=1 000lgQ+3 500

Emean(6-11)

已知Q值或Vp時,可求出巖體的變形模量Emean。式(6-11)只適用于Q>1的巖體。

(3)將巖塊作為均質、各向同性的連續介質來看待,其力學參數有Eo、υo、Go和Co、Rco等,運用彈性理論時,剛度矩陣只有Eo、υo、Go、λo等參數,其中二者即可確定整個剛度矩陣,巖體由于結構面的存在使其力學性質極為復雜,在處理假定結構面中小規模,結構面較為光滑,假定損傷不擴展,即損傷張量Ω為常數,則巖體彈性模量張量由下式求。

E=(1-CvΩ)Eo(6-12)

G=(1-CsΩ)Go(6-13)

式中:Ω——巖體損傷模量張量;

Cv——節理面傳壓系數;

Cs——節理面傳剪系數;

Eo——巖塊彈性模量張量;

Go——巖塊剪切模量張量。

二、巖體強度參數

巖體的強度主要與完整巖石強度和巖體結構面交切情況有關。為了給巖體應力—應變(或位移)有限元分析和邊坡巖體穩定性計算提供巖體力學參數,目前國內外確定巖體強度參數通用的方法是,根據巖體的地質特征和巖體結構參數以及影響巖體性質的因素,進行巖體質量分類,然后建立巖體質量分類指標值與巖體強度參數之間的經驗關系,估算巖體的強度參數值。

1. 工程巖體質量評價

巖體工程參數的弱化處理應以巖體分類為依據,目前巖體工程分類的方法和標準有幾十種,但是把巖體工程分類系統與工程設計參數和處理措施相聯系的分類方法有RMR(或CSIR)法和Q分類方法等。

RMR分類方法是Z.T.Bieniawski(1973)提出的工程巖體分類體系。在國際上已有286個工程實踐經驗,并形成一套巖體力學參數弱化處理和工程設計的系統方法。這一分類較好地反映了影響巖體質量的主要工程地質條件。根據具體工程的地層巖性和單層厚度,將巖體結構和強度劃分為若干工程地質巖組,然后通過巖體的RQD值和結構面間距值,利用巖塊在實驗室得出的飽和單軸抗壓強度,考慮地下水條件以后,可得巖組的RMR得分值。

巖體分級體系間一般存在較好的相關性,因此也可將其他評分體系得到的巖體質量指標換算為RMR指標。

2. 巖體強度參數的估算

在巖體穩定性分析中,巖體抗剪強度指標是最重要的計算指標,可用費辛柯法、M.Georgi法、RMR分類法、Hoek-Brown法等對巖體抗剪強度指標進行弱化處理。費辛柯法適用于沉積煤系地層組成的巖體,M.Georgi法對堅硬巖漿巖和變質巖塊的巖體強度較為適用,RMR分類法和Hoek-Brown法考慮了較多的影響因素,因而可選用RMR分類法和Hoek-Brown法對巖體強度參數進行選齲

霍克和布朗(1980)根據巖石性質的理論和實踐經驗,用實驗法導出巖塊和巖體破壞的主應力之間的關系式為:

σm=σ3+(6-14)

或 τ=A σc(σ/σc-T)B(6-15)

式中:σ1、σ3——破壞時的最大最小主應力;

σc——完整巖塊的單軸抗壓強度;

m、s——巖體巖性及結構面發育的有關系數。

巖體單軸抗壓強度σm c

σm cσc(6-16)

巖體單軸抗拉強度σm t

σm t=Tσc(6-17)

進一步得出:

φm=arctan[AB(-T)B-1] (6-18)