Hoek-Brown强度准则在强烈砂化白云岩力学参数估算中的应用

2022-02-02董家兴周志强王志荣赵毅然李建国沐红元左澍琼赵永川

长江科学院院报 2022年12期

董家兴，周志强，王志荣，赵毅然,，李建国，沐红元，左澍琼，赵永川

(1.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500；2.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000；3.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021)

1 研究背景

砂化白云岩是一种微晶-细晶结构的岩石，在经历多期构造运动的复杂地质构造环境下、受溶蚀和风化的共同作用而导致岩体风化成细砂状、砂砾状或碎块状[1]。因其岩体结构破碎，节理发育，存在难以制作标准岩样，通过室内试验获取岩体力学参数的难题。基于此，如何快速、便捷、经济的获取砂化白云岩岩体力学参数并给出建议值成为目前亟待解决的问题。针对砂化白云岩岩体力学参数的获取，国内学者开展了研究。张良喜[2]采用间接劈裂法研究了不同砂化程度白云岩的抗拉强度；田启文和岳朝林[3]通过室内试验，研究了不同岩溶砂化情况下白云岩的岩体力学参数；吴凡[4]通过重塑砂化白云岩制作标准岩样，开展三轴压缩试验，研究了不同颗粒含量的砂化白云岩力学参数。如前所述，强烈、剧烈砂化的白云岩岩体结构破碎，制作室内岩石力学试验所需的试样困难，原位测试、估算等岩体力学参数取值方法可能更为直接和可靠。

基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数估算方法，近些年来得到很好的发展和广泛应用[5]。1992年，Hoek等[6]对狭义Hoek-Brown强度准则进行改进，引入了地质强度指标(Geological Strength Index，GSI)对Hoek-Brown强度准则修正，使得该准则在岩体力学参数估算中的适用性和准确度得到提升。随着工程建设的发展，岩体扰动系数D被引入到广义Hoek-Brown强度准则中，用于对岩体常数进行修正[7]。具体地，於汝山等[8]以Hoek-Brown强度准则为基础，研究了锦屏深埋大理岩的强度包络线表现出明显的非线性特征；吴松等[9]通过岩体地质力学分类(RMR)法、Hoek-Brown强度准则，结合室内试验结果，估算出了边坡岩体参数；邢军等[10]依据模糊聚类的结果，利用Hoek-Brown强度准则确定出裂隙边坡岩体的力学参数；朱玺玺等[11]以试验得出的岩块物理力学参数为基础，运用Hoek-Brown强度准则对岩块物理力学参数进行工程折减弱化处理，经过对比分析，结果表明估算获得的岩体抗剪强度参数是合理的；Behnam等[12]通过以Hoek-Brown强度准则与Roclab岩体参数预测软件对岩体力学参数进行预测，相比于Mohr-Coulomb准则，Hoek-Brown准则(2002年版)能更好地描述页岩破坏特征。

综上，砂化白云岩岩体力学参数更多的是通过室内试验获取的，但对于白云岩砂化较为严重的岩体并未给出具体的岩体力学参数取值方法。为此，基于工程地质调查和针贯入试验，运用Hoek-Brown强度准则进行砂化白云岩力学参数估算，该研究扩展了砂化白云岩力学参数取值方法，具有重要意义。

2 Hoek-Brown强度准则

本文采用Hoek-Brown准则对砂化白云岩进行岩体力学参数估算。Hoek-Brown强度准则[7]公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

当σci≤100 MPa时有

(5)

当σci>100 MPa时有

(6)

式中：σ1为岩体破坏时最大主应力(MPa)；σ3为岩体破坏时最小主应力(MPa)；σci为完整岩石的单轴抗压强度(MPa)；mb为完整岩石经验参数mi的折减值；a为节理岩体表征常数；s为反映岩体破碎程度的系数；En为岩体变形模量(GPa)；GSI为地质强度指标。

3 砂化白云岩特征

3.1 白云岩砂化等级

根据滇中引水工程玉溪段现场调查，研究区白云岩的砂化发育不均匀，地表和输水隧洞洞内都有揭露[13]。砂化白云岩因其结构特征不同被划分为：微新岩体、中等砂化、强烈砂化、剧烈砂化4个等级[1]。

强烈砂化白云岩岩体手捏易散成白云岩砂，且胶结程度不一，岩体强度降低，多为薄层碎裂结构，组织结构大部分已破坏，变酥易碎，岩石大部分已变色，局部色泽新鲜，其围岩为Ⅳ-Ⅴ类[1]。砂化现象主要沿岩体层面和各种裂隙结构面发生，常见灰黄色-灰白色白云岩砾、白云岩砂和白云岩粉填充，局部有大量次生夹泥，锤击声哑。强烈砂化白云岩典型照片如图1所示。

图1 强烈砂化白云岩Fig.1 Intensively sandy dolomite

剧烈砂化白云岩岩体多为碎裂散体结构，组织结构基本被破坏，岩石完全变色，光泽消失，围岩主要为Ⅴ类[1]。主要表现为典型“砂包石”，基岩多被白云岩砂和白云岩粉(细粒)覆盖。剧烈砂化白云岩典型照片如图2所示。

图2 剧烈砂化白云岩Fig.2 Fiercely sandy dolomite

微新岩体、中等砂化白云岩岩体结构较完整，可以通过室内试验获取其力学参数，而剧烈砂化白云岩岩体极破碎，在Hoek-Brown强度准则中可能不适用。基于此，本文主要着重对岩体较为破碎的强烈砂化白云岩进行岩体力学参数估算研究。

3.2 针贯入测试

针对砂化白云岩的σci值，由于强烈砂化白云岩的岩体结构较为破碎，节理裂隙发育，难以通过制作标准样来进行单轴试验获取其单轴抗压强度。基于此，本文引入SH-70型针贯入仪(图3)，用来测试强烈砂化白云岩的单轴抗压强度。该仪器具有操作简单、携带方便等优点，可以很好地满足现场对强烈砂化白云岩进行强度测试的需求。由于现场针贯入试验测试范围较小，且强烈白云岩砂化岩体的节理裂隙较为发育，测试得到岩石单轴抗压强度[14]。

图3 针贯入仪Fig.3 Needle penetrator

针贯入仪获取单轴抗压强度的原理是根据针贯入试验时的贯入量L达到10 mm或贯入力F到达100 N时，读取并记录贯入量或贯入力，试验结束后通过公式换算单轴抗压强度(UCS)。

针贯入比NPI计算公式[15]见式(7)和式(8)。

当L=10 mm，F≤100 N时有

NPI=F/10 ；

(7)

当F=100 N，L≤10 mm时有

NPI=100/L。

(8)

针贯入值与单轴抗压强度换算经验公式为

lgUCS=0.978lgNPI+2.621 。

(9)

式中：L为贯入量(mm)；F为贯入力(N)；NPI为针贯入比(N/mm)；UCS为单轴抗压强度(MPa)。

研究区强烈、剧烈砂化露头的100组样品的针贯入比结果以及UCS计算值为：NPI=7.5～40.0 N/mm，平均值为15.11 N/mm；UCS计算值为3.00～15.41 MPa，平均值为5.93 MPa。

4 基于Hoek-Brown强度准则的强烈砂化白云岩力学参数估算

4.1 砂化白云岩参数取值

运用Hoek-Brown强度准则之前需对强烈、砂化白云岩的mi、D、GSI进行合理取值。

(1)mi取值。因为砂化白云岩的特殊性，难以通过制作岩样来获取mi值，因此通过Hoek研究的岩石经验参数表1(节选沉积岩部分)进行确定[16]。根据表1，结合白云岩的结构特征，本文取砂化白云岩mi值为9。

表1 完整岩石常量mi值Table 1 Constant mi value of intact rock

(2)扰动系数D取值。参照文献[17]，由于针贯入试验均在野外天然露头完成，未受到工程开挖、爆破等扰动影响，因此砂化白云岩扰动系数D值取0。

(3)GSI的确定。本文采用文献[18]提出的依据岩体结构特征定量化GSI的方法(见图4)进行取值。该取值方法通过获取砂化白云岩的岩体块度指数(Rock Block Index，RBI)和岩石绝对风化指数(Absolute Weathering Index，AWI)，根据图4确定砂化白云岩的GSI。本文中涉及的强烈砂化砂化白云岩RBI和AWI取值，分别为RBI=3，AWI=0.55。

图4 强烈砂化白云岩地质强度指标GSI定量取值图Fig.4 Diagram of GSI quantitative values of geological strength index of intensively sandy dolomite

通过RBI和AWI取值，结合图4，可以确定出强烈砂化白云岩的GSI为36。

综上所述，强烈砂化白云岩各参数取值如表2所示。

表2 强烈砂化白云岩参数取值Table 2 Parameter values of intensively sandy dolomite

4.2 估算结果分析

对砂化白云岩的σci、GSI、D、mi确定后，分别运用Hoek-Brown强度准则对其岩体参数进行估算，估算结果与研究区强烈砂化白云岩平硐岩体直剪试验及变形试验进行对比分析，统计结果见表3。表中c、φ、En分别为黏聚力、内摩擦角、变形模量。

表3 强烈砂化白云岩岩体力学参数Table 3 Mechanical parameters of intensively sandy dolomite

图5是通过Hoek-Brown强度准则估算的强烈砂化白云岩黏聚力、内摩擦角、变形模量与岩体平硐试验结果对比。

图5 强烈砂化白云岩力学参数对比Fig.5 Comparison of mechanical parameters of intensively sandy dolomite

通过图5发现强烈砂化白云岩黏聚力、内摩擦角、变形模量估算值与试验值存在着一定的差异性。通过Hoek-Brown强度准则估算的强烈砂化白云岩力学参数绝大部分落在试验值区间内，但其最小值比试验值略小。存在此差异性的原因在于：

(1)Hoek-Brown强度准则估算运用的σci是通过针贯入在地表露头现场试验获取的，与岩体平硐试验所取岩样的埋深不一，导致其岩体侧向应力存在一定的差异。

(2)岩体平硐试验的组数过少，存在一定的偶然性。

基于以上成果，综合考虑强剧砂化白云岩的岩体结构特征及围岩级别，结合岩体力学参数取值方法和《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)[19]，给出强烈砂化白云岩力学参数建议值和单轴抗压强度建议值：c为0.06～0.41 MPa，φ为23°～34°，En为0.7～2.8 GPa，可为设计和施工提供依据。