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1、第四章 基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数估算第四章 基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数估算4.1 岩体结构精细描述4.1.1 试验洞概况1#试验洞桩号里程为AK12+567m，主洞深度约57m，在深度约28m处向东平行于辅助洞开挖试验支洞，支洞深度约30m。在支洞深度约18m的位置为T2y6/T2b地层分界。盐塘组第六段(T2y6)的主要岩性为：灰-灰黑色泥质灰岩夹深灰色大理岩，泥质灰岩呈极薄层-中厚层状，主要矿物为方解石、石英、云母、炭、泥质和少量黄铁矿，镜下具泥质微粒结构。常见泥质条带与灰岩互层出现；所夹大理岩细晶致密，常呈厚层状出露。2#试验洞桩号里程为AK08
2、+850m，主洞深度约80m，在深度约25m处向东平行于辅助洞开挖试验支洞，支洞深度约30m。在主洞末端向西开挖试验支洞，支洞深度约20m，整个试验洞和支洞位于T2b地层中。白山组(T2b)岩性主要为灰-灰白色致密厚层块状大理岩。3#试验洞桩号里程为AK08+950m，主洞深度约60m，在深度约25m处向西平行于辅助洞开挖试验支洞，支洞深度约30m，作为开挖变形监测支洞，并延伸后为暗物质实验室。在主洞末端向西开挖试验支洞，支洞深度约20m，整个试验洞和支洞位于T2b地层中。岩性主要为厚层状大理岩，有时略带紫色或白色，细晶致密。4#验洞桩号里程为AK04+850m，主洞深度约50m，位于T3地层
3、中。地层岩性主要为灰黑色板岩夹青灰色粉砂岩，层理明显，薄层状，并偶夹薄层泥灰岩。 汪斌，李维树，范雷等.锦屏二级水电站引水隧洞高地应力条件下的岩体力学参数研究阶段成果报告，长江科学院岩基室，2010，108109.4.1.2 结构面描述统计采用精测线法分别对1#至4#试验洞洞壁进行结构面统计描述。通过对实测结构面进行室内统计分析后，得到结构面走向玫瑰花图，根据赤平投影原理得到结构面等密度图65-68，见图4.1-4.4。图4.1 测线1结构面等密度图及走向玫瑰花图图4.2 测线2结构面等密度图及走向玫瑰花图图4.3 测线3结构面等密度图及走向玫瑰花图 图4.4 测线4结构面等密度图及走向玫瑰花
4、图根据结构面走向玫瑰花图与等密度图，可以得知每条测线上结构面的优势分组，各组结构面优势产状如表4.1所示，结构面几何特征如表4.2。由于3#试验支洞优势三、四、五组所包含结构面数量较少，其统计特征不明显。表4.1 结构面优势产状均值及范围列表试验洞编号岩性分组倾向/倾角/倾向范围/倾角范围/1#试验支洞大理岩优势一组906248-12541-88优势二组30770270-31856-87优势三组34156321-1941-852#试验支洞大理岩优势一组24624-4745-81优势二组20248187-24333-88优势三组27865253-28856-813#试验支洞大理岩优势一组2773
5、12-3749-90优势二组617138-7443-86优势三组14154124-15239-67优势四组16366153-17157-78优势五组20060187-21449-734#试验支洞砂板岩优势一组22547-3733-81优势二组557240-7358-90优势三组18157167-19035-81优势四组21071195-25148-90表4.2 结构面几何特征概率模型参数表试验洞编号岩性分组几何特征分布规律参数1参数2均值标准差1#试验支洞1#试验支洞大理岩大理岩优势一组倾向正态分布89.5813.4389.5813.43倾角正态分布70.777.3670.777.36半迹长负
6、指数分布0.60/1.660.65间距负指数分布3.70/0.270.54优势二组倾向正态分布301.0511.53301.0511.53倾角正态分布78.057.2578.057.25半迹长负指数分布0.56/1.780.56间距负指数分布2.56/0.390.93优势三组倾向正态分布349.6812.05349.6812.05倾角正态分布61.639.2561.639.25半迹长负指数分布0.82/1.220.72间距负指数分布1.19/0.841.332#试验支洞大理岩优势一组倾向正态分布22.586.6122.586.61倾角正态分布69.713.9669.713.96半迹长负指数分布
7、0.50/2.000.00间距负指数分布2.94/0.340.63优势二组倾向正态分布222.4226.65222.4226.65倾角正态分布65.0811.1165.0811.11半迹长负指数分布1.67/0.600.69间距负指数分布1.09/0.921.41优势三组倾向正态分布269.339.67269.339.67倾角正态分布80.330.5280.330.52半迹长负指数分布2.00/0.500.26间距负指数分布1.18/0.850.913#试验支洞大理岩优势一组倾向正态分布26.295.6926.295.69倾角正态分布81.207.7681.207.76半迹长负指数分布0.58
8、/1.730.51间距负指数分布1.52/0.661.35优势二组倾向正态分布52.3610.6952.3610.69倾角正态分布70.8910.6970.8910.69半迹长负指数分布0.74/1.360.80间距负指数分布2.00/0.500.864#试验支洞4#试验支洞砂板岩砂板岩优势一组倾向正态分布22.556.3622.556.36倾角正态分布60.4010.3060.4010.30半迹长负指数分布0.87/1.150.61间距负指数分布1.09/0.921.06优势二组倾向正态分布53.967.2053.967.20倾角正态分布74.6713.4874.6713.48半迹长负指数分
9、布1.33/0.750.53间距负指数分布1.37/0.731.08优势三组倾向正态分布180.064.88180.064.88倾角正态分布64.7510.2664.7510.26半迹长负指数分布1.05/0.950.48间距负指数分布1.35/0.740.83优势四组倾向正态分布213.4510.66213.4510.66倾角正态分布75.078.8075.078.80半迹长负指数分布1.14/0.880.66间距负指数分布2.00/0.500.694.2 洞室围岩地质强度指标（GSI）分类GSI方法体系是E. Hoek多年来与世界各地与之合作的地质工作者共同研究发展起来的一种方法，它根据岩
10、体结构、岩体中岩块的嵌锁状态和岩体中不连续面质量，综合各种地质信息进行估值。GSI指标是基于岩体的岩性、结构类型和结构面条件等因素，通过对揭露的岩体进行肉眼观察评价，综合考虑两个基本因素，即岩体结构类型与结构面特征对工程岩体进行分类。GSI的量化指标包括岩体结构等级SR(Structure Ratings)和结构面表面特征等级SCR(Surface Condition Ratings)，通过表4.3确定岩体地质强度GSI值69-74。表4.3 GSI分类量化表岩体结构等级SR值是利用体积节理数JV，通过半对数图(见图4.5)进行取值。JV是指单位体积岩体内所交切的节理总数，是国际岩石力学委员会
11、（ISRM）推荐用来定量评价岩体节理化程度和单位岩体块度的一个指标。图4.5 岩体结构等级取值半对数图岩体结构等级取值SR=-54.44lgJV+101.53 (4-1)体积节理数JV可用下面的公式表 (4-2)式中，N为沿某一测线的节理数；L为测线的长度(m)；S为某一组节理的间距(m)； n为节理的组数；Nx，Ny，Nz分别为沿相互垂直方向测线上的节理数；Lx，Ly，Lz分别为沿相互垂直方向测线的长度。结构面表面特征等级SCR的取值主要考虑结构面的粗糙度Rr (Roughness Ratings)、风化程度Rw(Weathering Ratings)及充填物状况Rf (Infilling
12、Ratings)，并按下式取值：SCR=Rr+Rw+Rf (4-3)式中，Rr，Rw ，Rf 的取值标准见表4.4。表4.4 岩体结构面特征等级取值表组成要素SCR=Rr+Rw+Rf粗糙程度Rr非常粗糙粗糙稍粗糙光滑镜面光滑65310风化程度Rw未风化微风化中风化强风化全风化65310充填程度Rf闭合无充填隙宽5mm，充填密实隙宽5mm，充填松散642204.3 Hoek-Brown强度准则1980年，EHoek和ETBrown在分析Griffith理论和修正的Griffith理论的基础上，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，用试错法导出了岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系式(4-4)，即为Hoek-Brown强度准则，也称为狭义Hoek-Brown强度准则：
