采矿专业英语翻译

国际岩石力学与采矿科学1预测不同硬度岩体强度的一种新的实用方法摘要制备能够代表岩体（不连续的结构体）芯部的试样进行实验研究几乎是不可能的。为了克服这些困难，学者们把研究的重点放在了推导能够估计岩体或者岩块的应力-应变的经验公式上了。在学术论文中可以看到：基于一个岩体的性质例如岩体地质力学、地质强度指数、Q值等参数，可以通过降低完整岩石材料的单轴抗压强度来估计岩体的单轴抗压强度值。由于一个特定的经验曲线方程公式的应用受到限制，不能适用于硬度不同的所有类型的岩体，本文提出了一个新的适用于一般岩石的经验法来估计不同硬度岩体的强度，试验中用了五组岩石倾斜破坏的数据和四组岩石单轴抗压强度数据对这个新的经验公式进行验证。在新的经验方程里，原岩材料的单轴抗压强度不仅作为岩石强度降低的尺度参数，而且和岩石材料的弹性模量一块调整岩石强度降低的程度。通过两个相对独立减少的因数来考虑岩体的扰动因数，被应用于岩石结构评级：获得岩体连接处增加的密度、作为胡克定律的两个参数、降低岩体节理的程度。因此，这个经验公式也适用于像矸石堆那样没有胶结在一块的岩块。1.介绍众所周知，由于岩体是不连续的结构体，因此很难从一个岩体中制作出供实验研究的岩体核心试样。为了克服这些困难，学者们把研究的重点放在了推导能够估计岩体或者岩块的应力-应变的经验公式上了。经过努力，学者们在文献中提出了很多经验公式[1-11]。大多数经验公式把完整岩石材料的单轴抗压强度作为一个尺度参数。根据一个岩体的性质例如岩体地质力学、地质强度指数、Q值等参数，可以通过降低完整岩石材料的单轴抗压强度来估计岩体的单轴抗压强度值[1-3]在这个时候，不能明确的回答“哪个经验公式能更好的预测出岩体的强度？”。其实每个经验公式都能很好的预测出它所研究的岩体的强度，而每个推导出经验公式的原始数据还可以推导出更多的别的经验公式。由于这个原因，一个特定的经验曲线方程公式的应用受到限制，不能适用于硬度不同的所有类型的岩体。在表格1中列举的经验公式仅仅把RMR（岩体地质力学）、GSI（地质强度指数）或国际岩石力学与采矿科学2者JP（节理系数）作为参数，没有明确包括完整岩石材料的强度和可变形性，而“完整岩石材料的强度和可变形性”是影响岩体的强度特别是软性岩体的强度的重要因素。例如：两个材料不同但是具有相类似不连续结构的岩体具有不同的单轴抗压强度和可变长度。虽然两个岩体的特性指标（例如RMR、RMR）可能相似，但是这两种用来估计RMUCS（岩体的单轴抗压强度）时，所需降低的iUCS（完整岩石的单轴抗压强度）的比率不同。事实上，预期抗压强度高、可变形量大的完整岩石材料需要降低（用UCSi预测UCSRM时）的程度高。表格1适用于估计岩体单轴抗压强度的经验公式参考文献经验公式Yudhbiretal.[4])10010065.7exp(RMRUCSUCSiRMRamamurthy[5])5.18100exp(RMRUCSUCSiRMVardar[614-16]iKfiKiRMNNUCSUCS)log(1)log(1KalamarisandBieniawski[7])24100exp(RMRUCSUCSiRMPalmström[8]JPUCSUCSiRMSheorey[9])20100exp(RMRUCSUCSiRMAydanandDalgic[10]))100((RMRRMRRMRUCSUCSiRM6Hoeketal.[11]aiRMGSIUCSUCS)]9100[exp(RMUCS和iUCS：岩体的单轴抗压强度和完整岩石材料的单轴抗压强度;国际岩石力学与采矿科学3GSI：地质强度指数;a:Hoek和Brown准则中的不变参数;：在非均质加载条件下岩石强度降低的比率（0.21）;i:相似度；f:坚固性系数；KN:岩石构造系数；JP:节理系数；图1与岩石单轴抗压强度和岩体性质有关的经验关系图然而，在大多数文献中：当岩体中的岩石特性指数相似时，RMUCS和iUCS的比率也几乎一样（如图1所示）。如图2a所示:Müller[12,13]把岩体的条件分为从非断裂岩体到强烈破碎的岩体.Müller指出：“岩石的应力-应变曲线并没有在达到最大加载应力时结束，而是在出现第一次决定性的破裂时结束。岩石的承载能力下降或快或慢与进一步变形,取决于材料和系统的加荷速率。”后来，在Müller的研究基础上，学者们在系统尺寸的基础上根据岩体的应力-应变曲线命名了不同的岩体[16]（如图2b所示）。正如Müller讨论的那样：完整岩石的地质历史最初是以没有裂纹开始，结果以像糜棱岩受到强烈的构造应力那样变的十分破碎而结束,岩石试样在试验机下失稳的过程与之相似。给岩石失稳后的岩石做应力-应变关系结论要比给失稳中的岩石做应力-应变关系结论难。应该特别指出的是：通过实验室研究，几乎不可能给从达到峰值强度到残余强度阶段的岩石下应力-应变关系结论。然而，国际岩石力学与采矿科学4柔软岩体和坚硬岩体在失稳后的应力-应变曲线应该是不一样的。Vardar[4,14-16]提出的经验公式认为岩石类型不仅作为一个尺寸参数，而且作为应用iUCS（估计RMUCS）时应该减少的程度。然而，在这个经验公式中没有充分考虑到不连续的性质如风化、杂质、粗糙度等。我们可以在表格1中Vardar提出的经验公式中发现：只有用构造区域连接处的密度来定义岩体的特征时，才考虑用岩石类型决定岩石的坚固性f。事实上，根据最近研究的数据表明：岩石的坚固性取决于岩石的类型[15,16],例如黑曜石（强度高、可变形量小）的坚固性系数f为40，像粘土岩那样比较软的岩石坚固性系数f在3到12之间。换句话说，岩体的坚固性随着岩石的强度的减小而减小，随着岩石可变形量的减小而增加。在Vardar的方法中，岩石坚固性的数值代表着由于岩体节理程度的增加而造成的强度降低。然而，在岩石材料的地质历史中（从完整岩石到完全破碎），不但岩体结合处的密度增加，而且代表岩体不连续的一些表面特性（例如，风化程度，表面粗糙度，）逐渐降低。因此，应该综合考虑完整岩石的固有属性和非连续岩石表面情况以便为获得更具有代表岩体坚固性的数据。最近的一些研究集中于相似的结论,特别是由软岩组成的岩体的全过程应力[17-20]。这些研究人员定义了从岩体发生剪切破坏到完全破坏的这个之间变化过程（如图片3）。当iUCS（完整岩石的单轴抗压强度）超过15MPa时，就要用传统的Hoek–Brown破坏准则来确定岩体受到的全部应力。学者们把iUCS=0.5MPa时作为软岩的单轴抗压强度和吐的单轴抗压强度的分界线。从15MPa到0.5MPa，iUCS对RMUCS的影响逐渐降低。当iUCS=0.5MPa时，在地质强度指数范围内，可以认为iUCS=RMUCS。虽然iUCS取较高或较低强度受到限制，但是从数值模拟到实际应用领域已经充分证实了：iUCS取15MPa到0.5MPa是合理的。由此可以看出，H-B经验公式有了很多新的发展[[17-20]，但是我们认为如下细节仍需继续探讨。从图1可以看出来：是经验方程曲线占据在破坏包络线领域内,而不别的曲线。因此，在这个研究中，我们提出的是一个强大的连续型方程，而不是一个特定的曲线方程。随着降低iUCS（完整岩石的单轴抗压强度）和岩石的弹性模量，经验方程的曲线变得更接近于图1所给的下部范围（坚硬岩石）。如图3所示：随着[20]iUCS（完整岩石的单轴抗压强度）降低到0.5MPa时，标准化的国际岩石力学与采矿科学5岩石单轴抗压强度（iRMUCSUCS）也渐渐接近于1。这意味着不连续,例如分散的土几乎对整个土体的整体强度没有影响。图2（a）Müller[12]对岩体等级的划分（b）Vardar[16]的全应力——应变曲线国际岩石力学与采矿科学6图3标准化的岩石单轴抗压强度（iRMUCSUCS）与GSI（地质强度指数）构成的函数反映了传统的Hoek–Brown定律还反映了软岩硬岩变化函数图4含有裂纹的Nanticoke粘土的试样尺寸与其强度关系图国际岩石力学与采矿科学7有许多关于含有裂纹粘土的全应力的研究，这些研究表明：此粘土内部裂隙的性质决定着它的强度降低。实际上，可以从‘裂隙对土结构的影响’有关的文献中学到很多。在这里简单介绍一下关于土结构文献的著作。Terzaghi[21]在研究含有裂隙的粘土（由被裂隙分割的坚硬粘土块组成）时，第一次描绘了缓倾角的倾斜破裂。Bishop和Little[22，23]确认含有裂隙的粘土体的强度与完整粘土的强度的比率能达到45%。根据Lo[22]通过实验对含有裂纹的Nanticoke粘土的研究表明：一个水饱和状态的土体强度大约是完整粘土体强度的25%（如图4）。根据实验研究，Simons[22-24]发现了蓝色伦敦粘土强度下降的现象。Marsland和Butler[25]基于对含有裂隙粘土体内开挖的倾斜面的研究，他们认为：含有裂隙的粘土体和含有节理岩体的力学性质相似。此外Silvestri[26]为含有裂隙的粘土体而提出的模型被Ladanyi[28]和Archambault[27]作为典型来定义含有节理的岩体。Lo和Lee[29]认为对于含有裂隙的Champlain粘土体来说，其正常的应力与剪切强度是非线性的关系。Fedaetal[30]指出：虽然在很多工程应用中，裂隙粘土体被视为土来对待，但是含有裂隙的粘土体和有节理岩体的力学性质相似。Vallejo[31]指出对裂缝岩体运用莫尔-库伦破坏准则所带来的误差取决于一般的应力水平。Sonmez[32]评估‘用Hoek-Brown破坏准则预测古老的安卡拉裂隙粘土强度’的适应性（如图5）。根据Sonmez[32]的实验研究结果，表明：基于建筑区域和裂隙特性（例如间隔，走向，侵蚀，粗糙度）的不同，‘含有大量裂隙的安卡拉粘土体的强度’在完整粘土的强度和完整粘土的残余强度之间变动。因此，概述如下：与土木技术有关的文献清晰的证明了：含有裂隙的粘土体与有节理的岩体的力学性质相似。在土力学文献研究中可发现：有节理的土体（或裂隙土体）的规范化的单轴抗压强度(iRMUCSUCS)和软岩体的上界限类似都远远小于12.一个新的经验方法：抗压强度降低比（SRRc）在本课题中，与Varda[2，14-16]用的定义相似，定义RMUCS与iUCS的比率为抗压强度降低比（SRRc）。本课题提出了一种估计SRRc的经验方法。需要特别指出的是：在文献中，把iUCS作为估计岩体强度的尺度参数来来考虑。在本课题中，把iUCS和岩石的弹性模量（iE）作为调整iUCS和估计RMUCS的依据。为了克服以上介绍的现有的特定经验方程曲线存在的一些限制性，本课题提出了一国际岩石力学与采矿科学8个适应性更广的经验方法，这个方法能够概括从软岩体到硬岩体的全应力。这个经验方法应有以下特点：（1）这个新的经验法应该能够适用于从完整岩体到条件非常差的岩体（例如节理发育良好的岩体、已分解的岩体）；（2）不仅把岩石的单轴抗压强度作为岩体强度降低的尺寸参数来考虑，而且作为与岩石的弹性模量相结合时应该降低的程度参数来考虑；（3）应该考虑岩体的块效应；（4）应该考虑突变面（例如风化、侵蚀、粗糙度）的影响；（5）应该考虑扰动对岩体全应力的影响；（6）应该能够预测像矸石堆那样无粘结岩体（在0正常应力下无粘聚性）的强度。以下要简要介绍的是用新经验法解释图2b中的岩体应力-应变关系曲线（从岩体的峰值强度到残余强度）。2.1在新经验法中对岩体结构的定义本课题中，在定义岩体的性质时考虑到了岩体的结构等级（SR）和表面条件等级（SCR)。岩体的结构等级（SR）是由Sonmez和Ulusay[33]提出来的，后来Sonmez对其进行了改进。在新经验法中Sonmez和Ulusay[34]用SR来定义岩体的块效应。最初由Palmström发展了用体积联合计算来决定岩体的结构等级（SR）值。虽然Sonmez和Ulusay已经采用了很多实用程序特别是针对于节理发育良好的岩体，但是为了增加它的实用性价