[发明专利]一种基于蒙特卡洛模拟的大型洞室岩体参数概率估计方法

说明书

本发明公开了一种基于蒙特卡洛模拟的大型洞室岩体参数概率估计方法，涉及工程地质学和岩石力学技术领域，包括以下步骤：获取Hoek‑Brown强度准则的岩石输入参数；获取每个定量输入参数和定性输入参数的概率分布；根据定量输入参数的概率分布，利用蒙特卡洛方法对定量输入参数进行随机抽样，生成定量输入参数随机变量样本；模拟计算获得岩体质量评分RMR值，并根据岩体质量评分RMR值获得岩石软硬程度参数msubgt;b/subgt;值和岩体破碎程度常数s值，绘制岩体质量评分RMR值、岩石软硬程度参数msubgt;b/subgt;值、岩体破碎程度常数s值的统计直方图；利用Hoek‑Brown强度准则，模拟计算获得地下洞室岩体弹性模量E值、岩体单轴抗拉强度σsubgt;t/subgt;值、岩体单轴抗压强度σsubgt;c/subgt;值、黏聚力c值和内摩擦角值的概率分布。

技术领域

本发明涉及工程地质学和岩石力学技术领域，具体为一种基于蒙特卡洛模拟的大型洞室岩体参数概率估计方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，日益增长的能源、资源和交通刚性需求，必将促使水电开发、隧道建设等进一步发展，一系列大规模的地下工程进入兴建高潮。由于这类大型洞室常常具有“跨度大、边墙高”的特点，开挖难度巨大，洞室施工过程中的围岩稳定性与长期稳定性控制备受关注。对于该类大型洞室工程来说，施工前岩体力学参数的准确获取是进行工程稳定性预估、施工与支护方案设计的重要环节。在工程上，Hoek-Brown(以下简称H-B)强度准则是岩体力学参数估计应用最广泛的方法。但由于岩体及所处地质环境的复杂性、空间参数的变异性加上人为主观性的影响，H-B准则输入参数的获取具有很大的不确定性，从而导致估算的岩体力学参数具有较高随机性。因此，采用概率估计方法来估算岩体力学参数是很有必要的，在实际工程应用中具有重大意义。

1980年，Hoek和Brown做了大量试验并参考格里菲斯经典强度理论提出了岩体非线性破坏经验准则—H-B准则；1992年，Hoek et al.对该准则进行了改进，使其可同时应用于岩石和岩体，称之为广义H-B岩体强度准则，其表达式为：其中，σ₁和σ₃分别为最大、最小主应力；m_b为表征岩石软硬程度的参数，s为反应岩体的破碎程度的常数，a为取决于岩体特性的常数。

在公式(1)中，关键在于确定中间参数m_b、s、a的值，为此Hoek和Brown结合岩体评分系统，考虑了扰动岩体和未扰动岩体，提出了参数m_b、s、a取值方法，即：

根据公式(1)，Hoek和Brown给出了岩体抗压强度σ_c、岩体抗拉强度σ_t与弹性模量E的估算公式，即：

由于Mohr-Coulomb强度准则曲线与H-B强度准则曲线非常吻合，Hoek采用一元线性回归分析的方法，将公式(1)拟合为Mohr-Coulomb强度准则的线性表达式，即：σ₁＝kσ₃+b(8)；其中，据此，可以反求出岩体抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角

从公式(1)～(8)可知，只要得到完整岩石的单轴抗压强度σ_ci、岩石的软硬程度参数m_i、岩体质量评分RMR这三个基本参数，即可通过Hoek-Brown强度准则确定较完备的岩体力学参数(弹性模量E、岩体单轴抗压强度σ_c、岩体单轴抗拉强度σ_t、黏聚力c和内摩擦角)，其中，RMR可由Bieniawski提出的岩体评分系统来获取，主要通过6个基本参数进行评分，包括无侧限单轴抗压强度UCS、岩石质量指标RQD、节理间距、节理特征(包括节理迹长、裂隙宽度、粗糙度、充填、风化程度)、地下水条件、节理方向。这些基本参数以及σ_ci、m_i都可从前期地质勘察阶段和岩石物理力学实验阶段的成果资料中获取。