本發(fā)明屬于地質(zhì)和巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種巖體物理力學(xué)參數(shù)取值的方法，尤其涉及一種隨機(jī)缺陷巖體的hock-brown參數(shù)s的取值方法。

背景技術(shù)：

天然狀態(tài)下的巖石，其內(nèi)部分布著大量的微裂隙，由于這些微裂隙的存在，使巖石材料在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出明顯的不連續(xù)性和各向異性。巖石的破壞往往都是由于在外部應(yīng)力的作用下，其內(nèi)部微裂隙的萌生、擴(kuò)展和貫通所導(dǎo)致的。早期，傳統(tǒng)的巖石強(qiáng)度理論是基于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，把巖石看成等效的連續(xù)介插,結(jié)合試驗歸納的方法得到的經(jīng)驗型強(qiáng)度準(zhǔn)則。如1900年提出的mohr-coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，1952年提出的drucker-prager準(zhǔn)則以及1980年提出的hoek-brown準(zhǔn)則等，這些強(qiáng)度準(zhǔn)則奠定了巖石力學(xué)理論發(fā)展的基礎(chǔ)。

然而，由于巖石是一種內(nèi)部孕育著大量的微孔洞、微裂隙等缺陷的復(fù)雜固體介質(zhì)材料，在斷裂機(jī)理研究方面，英國物理學(xué)家griffith早在1921年就提出了裂紋在脆性材料內(nèi)部萌生和擴(kuò)展的概念，建立了眾所周知的griffith準(zhǔn)則。在巖石損傷機(jī)理方面,20世紀(jì)70年代損傷力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)的建立和形成，將巖石強(qiáng)度理論的研究推進(jìn)了一個新的發(fā)展階段，并提出了許多適用的巖石損傷模型。

目前，對含缺陷巖石力學(xué)特性的研究包括在單軸、雙軸和三軸壓縮條件下的加載試驗,所用的研究對象多為相似模型材料(如石膏、水泥、砂漿等)。由于水泥、石膏、砂子等材料加工澆筑成含某種裂隙缺陷的類巖石試件制取相對容易,因此相似模型試驗被國內(nèi)外的許多學(xué)者采用,并取得了大量的研究成果。

hoek等人先后于1983、1988及1992年總結(jié)試驗數(shù)據(jù)并提出了廣義的hock-brown方程，即：

σ1＝σ3+σc(mbσ3/σc+s)^α(1)

式中：σ1，σ3為破壞時的極限主應(yīng)力；σc為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、α為與結(jié)構(gòu)面情況及巖體質(zhì)量和巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。

以往確定s的方法主要通過查如下表1或者求解巖體rmr值所獲得。

表1巖體質(zhì)量和經(jīng)驗常數(shù)m、s之間關(guān)系表(據(jù)hoek，1988)

priest和brown等人還將巖體分類值rmr值與m、s聯(lián)系起來，提出了計算m、s的公式如下：

對未擾動巖體：

m/mi＝e^(rmr-100/14)(2)

s＝e^(rmr-100/6)(3)

對擾動巖體：

m/mi＝e^(rmr-100/28)(4)

s＝e^(rmr-100/9)(5)

查表所得值具有較大的任意性，受人為因素影響較大，而利用rmr取值方法雖適用廣泛，可靠性較好，但是過程繁復(fù)，需做大量的外業(yè)及內(nèi)業(yè)處理工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種隨機(jī)缺陷巖體的hock-brown參數(shù)s的取值方法，以解決在工程實際中hock-brown方程中參數(shù)s值的取值不易得到的問題。

本發(fā)明的技術(shù)原理是這樣的：

針對隨機(jī)缺陷巖體的巖體結(jié)構(gòu)特征，考慮其孔隙率(n)在一定程度上可以用來反應(yīng)巖體rmr值特征(除rc外)。對含隨機(jī)的裂隙和孔隙缺陷的巖石來說，宏觀的孔隙率直接代表了隨機(jī)的裂隙和孔隙缺陷的發(fā)育程度?？紫堵什灰字苯訙y量，但是比重和密度是容易直接測得的，孔隙率通過比重和密度換算。

因此，本發(fā)明利用大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到隨機(jī)缺陷巖體抗壓強(qiáng)度值與孔隙率的關(guān)系，進(jìn)而得到s值與孔隙率n存在的關(guān)系，在實踐中我們利用hock-brown方程求解巖體力學(xué)參數(shù)時可以用隨機(jī)缺陷巖體的孔隙率進(jìn)行s值的取值，對簡化工程計算具有較為重要的意義。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的：

本發(fā)明通過實驗準(zhǔn)確測量巖石的比重和干密度，通過比重和干密度換算得到巖體的孔隙率，根據(jù)實驗統(tǒng)計分析，建立隨機(jī)缺陷巖石抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間的函數(shù)關(guān)系模型，用孔隙率為1％的巖體抗壓強(qiáng)度、完整巖石的抗壓強(qiáng)度以及巖體的孔隙率來計算hock-brown參數(shù)s值。

具體的，包括如下步驟：建立隨機(jī)缺陷巖石抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間的函數(shù)關(guān)系模型，該函數(shù)關(guān)系模型為式(6)表示的冪函數(shù)關(guān)系關(guān)系模型：

式中：

rcm為缺陷巖體抗壓強(qiáng)度，單位mpa；

r1m為孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度，單位mpa；

n為缺陷巖石孔隙率，單位％；

由(1)式，令σ3＝0，可得巖體的抗壓強(qiáng)度σcm：

σcm＝σcs^α(7)

聯(lián)立式(6)和(7)，得：

α值對于各向異性巖體取值范圍為(0.5-0.65)，對于隨機(jī)缺陷巖體取0.5；由此，可以得到：

式中：

s為隨機(jī)缺陷巖體hock-brown參數(shù)值，無量綱；

r1m為孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度，單位mpa；

σc為完整巖石的抗壓強(qiáng)度；

n為缺陷巖石孔隙率，單位％。

其中，

隨機(jī)缺陷巖體孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度、完整巖石的抗壓強(qiáng)度可以通過室內(nèi)試驗得到(對某一種巖性為一定值)，隨機(jī)缺陷巖體孔隙率n通過比重和干密度換算，巖石的比重和干密度通過測量得到，即：

式中：

gs為巖石的比重；

ρd為巖石的密度，單位g/cm³；

n為缺陷巖石孔隙率，單位％；

把式(10)帶入式(9)中，得：

通過以上步驟得到hock-brown參數(shù)s的取值。

由于巖體的rmr是比較難求取，特別對于資料不全或者地質(zhì)人員素質(zhì)較低時易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的誤差或者錯誤，本發(fā)明針對隨機(jī)缺陷巖體特征，根據(jù)實驗統(tǒng)計分析，建立隨機(jī)缺陷巖石抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間的函數(shù)關(guān)系模型，從而用孔隙率為1％的巖體抗壓強(qiáng)度、完整巖石的抗壓強(qiáng)度以及巖體的孔隙率來計算hock-brown參數(shù)s值，隨機(jī)缺陷巖體孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度、完整巖石的抗壓強(qiáng)度可以通過室內(nèi)試驗得到(對某一種巖性為一定值)，而巖體的孔隙率通過比重和干密度換算，巖石的比重和干密度通過實驗準(zhǔn)確測量，從而解決了在工程實際中hock-brown方程中參數(shù)s值的取值不易得到的問題。

對地質(zhì)體，可以實驗室取樣測定其比重，現(xiàn)場測定其密度，通過本發(fā)明計算其巖體的強(qiáng)度及hock-brown參數(shù)s值，為后續(xù)的其他計算和工程設(shè)計提供強(qiáng)度參數(shù)。

附圖說明

圖1是隨機(jī)缺陷巖體飽和抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)與模型理論數(shù)據(jù)對比關(guān)系；

圖2是隨機(jī)缺陷巖體天然抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)與模型理論數(shù)據(jù)對比關(guān)系；

圖3是隨機(jī)缺陷巖體單軸抗壓強(qiáng)度與巖體孔隙率的模型理論關(guān)系曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明的任何限制。

本發(fā)明是這樣實施的：

如圖3所示，首先建立隨機(jī)缺陷巖石抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間的函數(shù)關(guān)系模型即：

式中：

rcm為缺陷巖體抗壓強(qiáng)度，單位mpa；

r1m為孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度，單位mpa；

n為缺陷巖石孔隙率，單位％；

由(1)式，令σ3＝0，可得巖體的抗壓強(qiáng)度σcm：

σcm＝σcs^α(7)

聯(lián)立式(6)和(7)，得：

α值對于各向異性巖體取值范圍為(0.5-0.65)，對于隨機(jī)缺陷巖體取0.5；由此，可以得到：

式中：

s為隨機(jī)缺陷巖體hock-brown參數(shù)值，無量綱；

r1m為孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度，單位mpa；

σc為完整巖石的抗壓強(qiáng)度；

n為缺陷巖石孔隙率，單位％。

其中，

隨機(jī)缺陷巖體孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度、完整巖石的抗壓強(qiáng)度可以通過室內(nèi)試驗得到(對某一種巖性為一定值)，巖石的孔隙率難以直接測量，但是孔隙率可以通過比重和干密度換算，巖石的比重和干密度是容易準(zhǔn)確測量的，即：

式中：

gs為巖石的比重；

ρd為巖石的密度，單位g/cm³；

n為缺陷巖石孔隙率，單位％；

把式(10)帶入式(9)中，得：

通過隨機(jī)缺陷巖體孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度、完整巖石的抗壓強(qiáng)度、孔隙率可以求得隨機(jī)缺陷巖體hock-brown參數(shù)s值。

對標(biāo)準(zhǔn)尺寸的含均勻隨機(jī)缺陷巖石，通過室內(nèi)抗壓試驗得到巖體孔隙率為1％時的巖體抗壓強(qiáng)度和完整巖石的抗壓強(qiáng)度，通過實驗測定巖石的比重和密度，通過式(11)計算其hock-brown參數(shù)s值。

本發(fā)明的實施例如圖1和圖2所示，其中，圖1展示了某晶洞灰?guī)r飽和抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)與模型理論數(shù)據(jù)對比關(guān)系；圖2展示了某晶洞灰?guī)r天然抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)與模型理論數(shù)據(jù)對比關(guān)系。從圖中可以看出，按照本發(fā)明采用的函數(shù)模型和取值方法獲得的數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確和可靠，在實踐中可以大大提交工程設(shè)計的效率。

當(dāng)然，以上只是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，本發(fā)明還有其他的實施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明所要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。