岩体力学参数取值方法对比研究

刘宗建，王羽，黄钦瀚，高敖，熊力

岩体力学参数取值方法对比研究

刘宗建1，王羽2，黄钦瀚2，高敖2，熊力2

（1重庆建工集团重庆4011222重庆交通大学重庆400074）

岩体材料最重要的特征是具有复杂的变异性，参数值具有显著的不确定性。岩体力学参数的合理取值是岩体力学研究中最困扰研究人员的瓶颈。本文对岩体参数的估计进行了有益讨论，分析了岩体力学参数取值问题多种不同方法的研究状况，这对促进岩体工程设计参数的测定和正确选择很有意义。

岩体力学参数；参数取值；方法；不确定性

1 引言

每年重庆都要进行大量的工程建设，如高速公路、铁路、港口码头等。这些工程大都涉及各类岩体，设计中必须充分了解这些岩体的物理力学性质，才能合理、科学地设计相关的结构。这就需要进行相应的现场试验和室内试验，以确定岩体的工程性质参数。在许多情况下，地质条件是相同或相近的，其物理力学参数应该也是相近的。因此，为减少工程建设中不必要的重复试验，对一些中小型项目，只对相关的岩体进行简单物理性质指标测定，然后根据经验确定和选用有关力学性质指标，以降低工程造价，缩短工期，使工程提前发挥效益。

这就需要对已有岩体的工程性质参数进行详尽的研究，得到较为完整和准确的数据资料，建立合理且相对准确的岩体物理参数与力学性质之间的经验关系，供设计参考选用。

2 岩体力学参数取值国内外研究现状分析

国内外土木工程师已从几十年的工程实践中逐渐摸索出数十种岩体力学参数取值方法，研究的总趋势由经验、半经验、精度较差的数值计算向计算复杂、精度较高数值的分析发展，尤其是计算机的使用加快了这一过程。从国内外研究现状看，对岩体力学参数计算值的确定，在一定设计标准内的取值和整理方法并不相同，有代表性的方法有以下几种（见图1）。

图1 确定岩体力学参数方法

2.1 岩体力学试验

用原位试验确定岩体力学参数，能较好地反映岩体的自然特性，却受到周期长、费用高的限制。而且，即使是通用的平板载荷试验确定变形模量，仍显示极大的分散性。由单轴抗压试验获得值比膨胀仪的大2.5倍，而由地震方法确定的值又大于膨胀仪的2倍。可见，不同的试验方法具有极不相同的结果。这意味着仅仅依据原位试验是困难的，选取岩体力学参数需要通过工程判断。原位试验结果的分散性，在很大程度上是尺寸效应的缘故[1]。岩体的力学参数试验误差值随试体尺寸增大而减小。

2.2 工程类比经验判断法

在缺乏试验条件和试验数据的情况下常采用此法，目前在工程实践中占有一定的地位。利用已进行的原位试验，把积累得到的数据资料加以应用类比。如建立工程岩体质量RMR与变形模量之间的预测方程；Q分类体系得分值与变形模量之间的变化范围值等[2]。该方法在必要的经验指导下，在一定条件下可以得到一些可供实用的结果。

2.3 数值方法

由于岩体力学参数受样本量的限制而无法评价其精度，因而国内外学者都非常注重数值方法。例如Kulatilake根据节理几何参数模型，运用Monte－Carlo模拟得出不同尺寸岩体试件，然后运用有限元解出强度值和变形参数，该法较好地解决了节理岩体的介质模型，且从统计的观点来取值，研究思路完整，但计算工作量太大[3]。张武、张宪红（1987）认为受多向节理切割的岩体是一种近似各向异性的，连续的弹性介质，探讨了单向、双向和多向节理岩体的弹性关系的表示，这种表示基于节理材料和岩体的弹性常数及节理的产状参数。

2.4 反演分析

反分析计算可获得岩体力学宏观特性的综合值，其基本思想最先由Kavangh、Gioda和Maier等人提出，Sakurai首次给出了均匀地应力与岩体弹性模量的有限元反分析数值解。近几十年来，许多研究者做了大量研究与应用工作，并发展了弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等非线性反分析。在确定性反分析的基础上发展了灰色系统、模糊数学等非确定性反分析，在有限元反分析的基础上发展了边界元、离散元、半解析元等反分析法。但反分析对于多因素非线性情况无法保证解答的唯一性，因此反演过程及其最终取值同专家的经验密切相关。

3 岩体力学参数取值方法比对分析

国内外岩体力学参数的各种取值方法各有特点，且在工程实践中均普遍采用。具体对于基建工程而言，必要的经验判断是需要的，但应使取值过程中尽可能降低人为因素影响，使所得结果过多的反映现场客观实际。由于工程规模大，勘探试验工作量多且深入，因此选用何种取值方法使所得参数既准确又合理、既能反映野外地质特点又能将所有野外试验成果尽可能利用，是一件具有实际和经济意义的研究课题。

有些工程所选岩体力学参数不能很好地表征岩基的力学特性，并非是试验方法不当、仪器精度不高，或者试验数量不够，究其原因，主要在于选取参数的方法存在着一定局限性。如作图法、算术平均法、最小二乘法等，虽然简便易行，但取值的精度和代表性不算太高，用于计算必然导致安全指标不能真实地反映岩体的力学特性，例如，我们利用随机一模糊法与可靠度方法对溪洛渡电站所做c、f值与成都勘测设计院用优定斜率法给出的c、f值有些岩类相差甚多，见表1[4]。

表1 不同方法的c、f取值比较

由表1可以看出，两种方法关于Ⅲ类围岩的c值相差约3倍，Ⅱ类围岩的f值相差约0.5倍。可见，采用不同取值方法，有时差别很大，利用不同参数进行设计得到的结果往往相差也很大。

试验资料的可靠程度受试验方法、试验设备、环境因素（如含水情况，温度，加载大小，试件几寸）等多种因索影响。根据试验成果，借助数理统计，可消除一些偶然误差，如用pauTa准则、Chauvenet准则、Grubbs准则剔除异常值。在工程实践中，溪洛渡电站岩体物理力学参数特征研究报告用散点图舍去离散度较大的点也是一种很好的办法。但由于试验成果主要受岩体力学性质控制，分析整理资料前应对各种地质因素进行分析和归类，其步骤如下：

(1)将试验成果按工程地质单元分类，如溪洛渡电站按岩体风化程度的分类，岩体质量RMR分级等，以此为依据编制单项试验成果和多项试验成果汇总表，用数学计算方法如最小二乘法、随机一模糊法、可靠度分析、综合模糊评判、分形、偏最小二乘神经网络等多种方法进行研究和计算，以得到有代表性的参数。

(2)研究各项试验成果内在规律和相关关系，如溪洛渡电站变形模量和声波速度之间有如下关系式，即岩体抗压强度、变形模量与孔隙率（或吸水率）之间的关系：

E0=0.05+0.018 3VP-4.392

(3)在试验资料整理时要重视资料的合理性，要了解试验点的试件条件，成果的取舍要注意到试验点的地质结构。在选取试验指标时更要注意到相关指标的对应。如用库仑准则选取抗剪参数时应注意到摩擦系数f和凝聚力c是两个独立的值，它们随风化程度、含水量状态不同而敏感性不一样。一般来说，f值较稳定，c值变化较大。我们可用优定斜率法先确定摩擦系数，再确定c值上下限，由此在图上得到低值和高值两条直线关系式，并以下限参数作为计算值。

4 结论

岩体工程参数设计值的研究是一项重要而又困难的工作，国内外许多专家学者倾其一生才达到了在某一方面或几个方面的先进成果。目前，岩体力学参数取值的方法和手段众多，各具特点，未来仍有许多值得探索的方法和手段。随着研究的深入，无疑将不断促进人们对岩体力学参数本质属性的进一步认识。

[1]郭培年.岩体（岩体）强度尺寸效应研究[D].中国青年岩体力学与其应用讨论论文集，1994．

[2]蔡美峰等.岩体力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

[3]Hoek E.Strength of Rock&Rock Masses[J].ISRM News Journal，1994，2(2):4-16..

[4]刘汉东.岩体力学参数优选理论及应用[M].北京:黄河水利出版社，2004.

责任编辑：余咏梅

施工经验

怎样寻找暗埋的电线盒

建筑电气安装工程的预埋工作中，电线盒应依据图纸定位安装。但在工程实践中，由于多种原因总有部分预埋在混凝土中的电线盒在浇筑混凝土的过程中被掩埋且位置发生了移动。为了寻找这些暗埋的移动的电线盒，通常采用注水法、敲击法、冲击钻排孔法等方法寻找。但这些方法对寻找埋置较深的电线盒有一定的局限性。现总结和介绍一些其他的方法，愿与广大同行共享。

一、调幅收音机搜索市电信号法在已知通向暗盒的管道中穿进钢带线，钢带线的头部系一根双芯细软的导线并将线头做绝缘处理。当穿至尽头后将导线的外端接入施工临时用电的单相电，将调幅收音机打开靠近线管，使收音机的磁棒与线路成直角，沿着信号强的轨迹移动。由于电场中携带着大量的杂波，可以覆盖调幅收音机的几乎所有频段，所以，收音机中将收到强烈的嗡嗡声，直至终点。这种方法也有一定的局限性，首先由于导线较细软，容易破损，绝缘胶带容易脱落，管路中一般有水，容易漏电，且还有信号强度不可调。如果相线平行导管内的钢带线产生感应，容易造成误导等，所以不易准确和防漏电。如果受其他条件所限必须采用这种方法时，一定要采取严格的防触电措施。

二、调幅收音机搜索专用信号法采用自制的信号放大发射机发射信号，用调幅收音机搜索信号。此法并非首创，不过是电路设计方面略有不同。例如，《电子爱好者丛书》中介绍一种电源线寻迹器，该寻迹器制作简便，不过，其中涉及的关键零件在市场上不易购到，例如音频检知器567、2N3906等。结合实际条件，可采用淘汰的电视遥控器、小型功放器，制作1台信号放大发射机。首先，电视遥控器的选用方法如下：打开调幅收音机，用遥控器接近发射遥控信号，会听到清晰的脉冲声，选用声音连续、特征明显的遥控器。将遥控器的任一开关改换为能锁定的开关，将信号输出端引至功率放大器的信号输入端，地线、电源共用。但应注意，给遥控器供的电应经过电阻降压，维持遥控器的正常工作电压。

使用的方法很简便。即在已知通向暗盒的管道中穿进钢带线，同穿入的双芯电线应在穿入的一端短接且不需绝缘。放大器的输出端可接一端信号正极，即可收到信号。如果信号较弱，可用正负极同时接导线的两端信号，即可增强。搜索方法与上述方法相同。不过，值得注意的是，放大器的功率不宜太大，因为短接输出端有可能烧毁放大器。可选用电脑台式音箱中的放大器，其功率不过6w，且连续工作时间较短，不会出现不正常的现象。此装置也可用于查找不宜接人弱电线路的走向或故障点。

三、音笛法有些线路由于结构钢材的屏蔽作用或本身采用钢管敷设将信号屏蔽，导致无法搜索。可采用手机或电脑主板上的体积较小的音笛焊接在穿入管内的导线一端，外面的一端接在上面所说的放大器输出端，调节音量，用耳朵去听发声的部位即可。

Estimation of Geotechnical Parameters

The most important characteristic of geotechnical material is its complicated variability and its remarkable uncertainties of the parameters.How to decide the rock mechanics parameters is one of the most puzzled questions for geomechanical researchers.The rock mechanics,in this dissertation，is systematically studied concerning the estimation of geotechnical parameters，which is of great significance to develop the measures and proper choice of geotechnical parameters.

rock mechanics parameters；parameters decision；method；uncertainties

TU45

A

1671-9107（2012）03-0039-03

重庆市建委科技项目（110241）；重庆市教委科技项目（KJ110425）。

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.3.039

2011-10-29

刘宗建（1964-），男，高级工程师，研究方向为土木工程。