一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法与流程

本发明涉及岩体工程，具体涉及一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法。

背景技术：

1、岩体力学特性对于地下洞室开挖、巷道开挖、矿体开采、边坡开挖等岩体工程的设计来说具有非常重要的作用，常规的设计支护强度往往会依据工程所处的岩体的力学特性。虽然种种因素都使得岩土工程师希望能够对岩体的力学特性能够准确的认知，但由多种因素决定的岩体力学特性必然非常复杂，如不同矿物质的组成、岩体中不同结构面的存在使得岩体本身具有复杂性，岩体本身组成物质的复杂性是导致岩体力学特性复杂的一个重要原因，而岩体所赋存环境的复杂性是导致岩体力学特性复杂的另一重要原因，例如岩体所处的地应力状态等。

2、岩体力学特性的复杂性使得岩体力学参数的获取到实际工程中的应用将必然是艰难的过程。岩体的尺度与工程范围的尺度表现出明显的尺寸效应；工程中应用现场地质勘察和实验室室内试验获得的参数，将上述所获取资料形成围岩分类系统，通过围岩分类系统对岩体工程地质特性进行综合评价，并为洞室/边坡的开挖支护设计提供依据。围岩分类主要包含3类因素：岩块性质、结构面性质、结构面密度等所决定的岩体本身的力学性质和岩体所处地下水条件、地应力大小等环境因素。对于由岩块性质、结构面性质、结构面密度决定的岩体力学特性来说，主要是指岩体的峰值强度和残余强度。

3、目前，岩体强度一般采用基于一些假定的理论强度准则、经验强度准则等，如hoek-brown经验强度准则，hoek也明确指出它的这些代表性成果，虽然在工程界广泛应用，仍然只是一个时期特定条件下的产物，是一种过渡性方法，经验强度准则普遍基于小尺度的室内试验或现场试验统计分析形成，对于工程尺度的强度结果的代表性有待商榷。若能够准确确定大尺度的岩体的峰值强度和残余强度，对工程的设计、施工等都具有非常大的益处。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，解决大尺度岩体强度现场试验操作困难、峰值和峰后特征直接获取难度大的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，其特征在于包括以下步骤：

4、s1：根据岩块室内试验反演岩块的参数；

5、s2：基于合成岩体技术生成不同特定地质强度指标gsi的岩体；

6、s3：根据生成的不同gsi的岩体，确定大尺度岩体表征单元体rev值；

7、s4：开展大尺度岩体强度数值试验；

8、s5：分析数值试验结果，获得大尺度岩体峰值强度及残余强度。

9、进一步地，在s1中，对于岩块室内试验参数的反演，采用能够反映岩石随围压增加表现出的脆-延-塑性特征转换的力学本构模型，如hoek-brown本构模型，反演参数为相应本构模型的参数，包括强度参数及刚度参数(弹性模量ei)等。

10、进一步地，s2中，基于合成岩体技术生成特定地质强度指标(gsi)岩体，主要考虑通过离散裂隙网络(一系列结构面)切割岩块和特定的结构面参数控制岩体的gsi。

11、所述gsi的描述采用如下公式：

12、

13、式中，rqd为岩石质量指标；jcond89为结构面状态参数，范围一般为0-30，与结构面粗糙度、结构面蚀变情况相关。

14、所述岩石质量指标rqd通过离散裂隙网络切割岩块，rqd与岩体体积节理数jv存在如下关系：rqd＝110-2.5jv。

15、岩体体积节理数jv表示岩体单位体积内的节理数，可以根据岩体体积v与离散裂隙网络结构面数量n计算获得，即：jv＝n/v。

16、所述结构面状态参数jcond89，通过结构面摩擦角sf、法向刚度n-stiff和结构面切向-法向刚度比k-ratio三个参数体现。

17、所述的结构面摩擦角sf与jcond89的关系如下：

18、进一步地，所述法向刚度n-stiff和结构面切向-法向刚度比k-ratio通过利用数值模拟技术，建立与jcond89的关系式，对于法向刚度n-stiff取值范围为1-1000gpa/m，在取值范围内取p种情况，5≤p≤10,取值包含1gpa/m、1000gpa/m两种情况，并1/2以上情况在1-100gpa/m范围内；对于结构面切向法向刚度比k-ratio取值范围为0.1-1.0，在取值范围内取q种情况，5≤q≤10,取值包含0.1、1.0两种情况，并1/2以上情况在0.1-0.5范围内，两两组合共计p×q种情况。

19、进一步地，建立法向刚度n-stiff和结构面切向-法向刚度比k-ratio与jcond89的关系式，建立步骤如下：

20、步骤(一)，利用合成岩体技术，建立某岩性岩体数值模型(即ei，rqd已知)，假设jcond89取经验范围内的一个值，获得岩体的gsi值；

21、步骤(二)，根据岩体弹性模量erm、泊松比v与岩块弹性模量ei、gsi以及开挖扰动因子d的关系公式，计算erm及v:

22、

23、v＝0.32-0.0015gsi

24、步骤(三)，利用数值模拟技术，分别计算p×q种情况下岩体模量erm和泊松比v，通过误差最小或插值方法，可以找出假设的jcond89对应的法向刚度n-stiff及结构面切向-法向刚度比k-ratio；

25、步骤(四)，重复上述步骤(一)-(三)，重复进行jcond89取值，获得新的gsi，并计算erm及v，进行p×q种情况下岩体模量erm和泊松比v计算，找出多个jcond89与法向刚度n-stiff及结构面切向-法向刚度比k-ratio关系，可以建立jcond89与法向刚度n-stiff及结构面切向-法向刚度比k-ratio关系曲线。

26、进一步地，s3中，大尺度岩体表征单元体rev值的确定，通过s2中生成的一系列特定gsi的正方体岩体试样，gsi取值范围为10-100，在取值范围内取c种情况，5≤c≤10，其中10-20、20-40、40-60、60-80、80-100每个区间至少取1种；正方体岩体试样边长尺寸取值范围1-30m，在取值范围内取d种情况，5≤d≤10，取值包含1m、30m两种情况,并1/2以上情况在1-10m范围内，组合一共c×d种情况，分别计算这c×d种情况下的岩体单轴抗压强度，绘制c种gsi情况下，岩体强度与岩体尺寸的关系曲线；

27、所述的rev值取c种gsi情况下，岩体强度均能稳定的岩体尺寸即为岩体的rev。

28、所述s4中，大尺度岩体强度数值试验，对于特定岩性岩体，根据s3确定rev值，建立相应尺寸的立方体试样，取c种gsi值，分别进行单轴及三轴试验，对于三轴试验围压取值范围1-50mpa,在取值范围内取e种情况，5≤e≤10，取值包括1mpa、50mpa两种情况，并1/2以上情况在1-20mpa范围内，组合共计c×e组数值试验，记录数值试验过程中的应力应变曲线过程，曲线记录到应变达到峰值强度时应变的5倍。

29、进一步地，所述s5中大尺度岩体峰值强度为应力应变曲线过程的峰值，残余强度为应力应变曲线过程峰值后稳定的最终强度。

30、本发明提供的一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，基于合成岩体技术生成工程尺度的特定gsi的岩体，并进一步考虑岩块特性及结构面特性，开展一系列的岩体强度数值试验，获得大尺度岩体应力应变曲线并确定准确的大尺度岩体的峰值强度和残余强度，弥补了小尺度室内试验可能高估岩体强度的问题，更好地指导工程设计，保障工程安全施工及运行。