深埋圆形硐室围岩塑性形变压力的广义Hoek-Brown破坏准则解及其三元非线性回归模型

研究侧压力系数λ=1时,以广义Hoek-Brown经验准则为屈服准则的深埋圆形硐室理想弹塑性围岩的塑性形变压力的闭合解。采用较易获得的围岩参数,分别建立最大塑性形变压力随相对初始应力和归一化地质强度指标变化的二元线性回归模型与相对塑性形变压力随相对初始应力、相对塑性区半径和归一化地质强度指标变化的三元非线性回归模型,为预测围岩塑性形变压力提供较为可靠的途径。

广义Hoek-Brown破坏准则平面应变问题的滑移线场理论

根据弹塑性力学平面应变问题的特点,推导广义Hoek-Brown破坏准则平面应变问题应力分量的双参数表达式。代入静力平衡微分方程,得到双曲型一阶拟线性偏微分方程组。运用行列式方法,在适当的变量代换后,获得应力偏微分方程组的特征方向和特征上的微分关系。特征方向表明塑性区中的共轭斜交剪切滑移面形成两族非正交滑移线,其共轭角随极限应力状态和Hoek-Brown岩体材料物性参数而变化。由于对称初始应力场条件下圆形硐室理想弹塑性围岩塑性区内最大主应力方向为环向,而滑移线切线方向与最大主应力方向的夹角是最小主应力(径向应力)的函数,结合圆形硐室理想弹塑性围岩的应力分布的分析解,获得滑移线的极坐标曲线所满足的微分方程,进而得到其极坐标曲线方程。

基于Hoek-Brown准则的岩体高温-荷载耦合损伤模型及其验证

针对隧道岩体在高温和荷载共同作用下产生的耦合损伤问题,基于连续损伤力学理论,引入高温-荷载耦合损伤因子,建立了考虑高温作用的广义Hoek-Brown(H-B)准则的弹塑性损伤本构模型,解决了模型在数值积分过程中的奇异点问题,并利用Fortran语言编写了模型的有限元程序。结果表明:模型计算的应力-应变曲线与试验所得到的曲线趋势一致且计算结果误差在5%以内,温度作用下隧洞围岩损伤逐渐加剧,验证了模型的准确性和程序的稳健性,可为火灾作用下隧道围岩安全稳定性评价提供一种有效计算方法。

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。

基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的岩坡稳定性分析

针对岩质高边坡的稳定性分析问题,开展了基于广义Hoek-Brown破坏准则强度折减法的研究。提出了判别强度折减法合理性的两个基本标准:与Mohr-Coulomb准则强度折减法的一致性和能否体现节理岩体的真实破坏特征。基于以上标准,对比了3种不同的基于广义Hoek-Brown破坏准则的强度折减方法:σci、mi,σci、GSI和mi、GSI均同比折减,理论分析表明:mi、GSI同比折减更符合前述标准。最后,通过对工程实例的对比研究,验证了这一结论,并提出mi、GSI同比折减更能体现节理岩体的真实破坏特征,因而其安全系数的计算结果也更加真实可靠。

基于非线性Hoek-Brown破坏准则对隧道开挖面的支护力研究

盾构隧道施工中,掌子面支护力的确定对施工安全至关重要。针对盾构法隧道支护力问题,基于非线性Hoek-Brown破坏准则,计算盾构法隧道开挖面的支护力,分析岩土体参数、隧道几何尺寸等因素对支护力的影响。计算结果表明:Hoek-Brown强度参数定量确定的方法,然后基于Hoek-Brown破坏准则计算隧道开挖面的支护力数值,进一步分析各个参数对隧道开挖面的支护力的影响。研究结果表明:岩体强度指标GSI越小、扰动因子D越大、岩土体系数mi越小、抗压强度σci越小、隧道直径d越大、岩土体重度γ越大,会导致隧道开挖面支护力q越大。

基于广义Hoek-Brown准则的隧道纵向变形曲线研究

纵向变形曲线是隧道开挖面空间约束效应的直观反映,多数纵向变形曲线的研究并未考虑围岩质量和应力水平的影响。基于广义Hoek-Brown准则,采用有限差分法,提出了能够量化不同围岩质量及应力水平下开挖面空间效应差异的纵向变形曲线函数表达式,可以简便地得到不同地质条件下的隧道纵向变形曲线,通过误差分析及与已有研究成果对比,验证了该方法的合理性与普适性。研究结果表明:围岩基本质量指标值相同时,围岩纵向变形曲线随着埋深增加变得更加平缓,即围岩应力及位移的释放过程越缓慢,埋深相同时,随着围岩基本质量指标值的降低,围岩纵向变形曲线显示出同样的趋势,相对于开挖面前方,开挖面后方纵向变形曲线的这种特点更加明显;开挖面处纵向变形也是围岩质量与应力水平的函数,最大值不超过隧道径向变形最终值的30%。

广义Hoek-Brown准则中强度折减系数的确定

稳定性系数是边坡安全性评价的关键指标,但对适用于岩体特性的Hoek-Brown准则的折减存在标准不统一或计算复杂的特点,有必要确定合适的强度折减方案和系数。将广义Hoek-Brown准则(2002)与强度折减原理相结合,以三峡库区狮子包高边坡为模型,通过改变坡高、坡角和参数,以7种对岩石单轴抗压强度ci、地质强度指标GSI和岩石材料常数mi的简化折减方案,研究狮子包高边坡的稳定性,并对稳定性系数和抗剪强度进行误差分析,确定广义Hoek-Brown准则的最优强度折减方案。研究结果表明,对广义Hoek-Brown准则的强度折减可通过同比折减参数ci和GSI获得,此时数值计算与极限平衡法(Morgenstern-Price)确定的高边坡稳定性系数相对误差平均值为6.9%,方差为6.9%,抗剪强度相对误差为4.98%。这对广义Hoek-Brown准则在岩质边坡稳定性数值计算中的广泛应用有一定理论意义和价值。

基于Hoek-Brown准则的煤层钻孔失稳破坏类型数值模拟研究

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。为深入探讨煤层钻孔失稳机制,引入Hoek-Brown强度准则及地质强度指标GSI,在考虑孔隙率与渗透率动态变化特性的前提下,在弹塑性本构方程中引入塑性流动因子,使瓦斯渗流场方程含有体应变、煤岩体变形场方程含有瓦斯压力项,进而建立了基于H-B准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型;采用COMSOL软件对模型进行解算,探讨了不同侧压系数条件下不同煤体结构煤层钻孔周围塑性区分布规律,并对煤层钻孔失稳破坏类型进行了划分。研究表明:无论在何种侧压系数条件下,孔周塑性区分布范围皆随GSI值的增大而逐渐减小,2者遵循幂函数关系;塑性区分布形状因侧压系数、GSI值不同而差别较大;当GSI值较小时,在不同侧压系数条件下,塑性区分别呈扇形、椭圆、"X"状分布;当GSI值较大时,塑性区分别呈圆形、"V"状、"平底锅"状分布;煤层钻孔失稳破坏类型分为应力控制型破坏、结构面控制型破坏、软煤中的喷孔破坏3类,分别发生在高应力硬煤中(60≤GSI≤100)、强度中等的煤体中(30<GSI<60)以及软煤中(0≤GSI≤30),失稳破坏的主控因素分别为应力、结构面力学性质、煤体力学性质及瓦斯内能。

Hoek-Brown破坏准则求解圆形硐室塑性区半径与修正的芬纳公式比较

目的为定量确定围岩塑性区半径和给支护锚杆的深度设计提供科学依据.方法以Hoek-Brown破坏准则为极限平衡条件，推求侧压力系数为1.0时圆形硐室理想弹塑性围岩的弹塑性应力和塑性区半径，运用Mohr-Coulomb准则直线拟合Hoek-Brown准则曲线和面积差补方法，求取等效的岩体Mohr-Coulomb强度参数后，建立相对塑性区半径随支护力和地质强度指标变化的二元非线性回归数学模型，并与源自于Mohr-Coulomb强度准则为屈服条件的修正的芬纳公式进行比较研究.结果支护力每增加1.0 MPa，就可确保地质强度指标降低10-20的岩体中不会出现塑性区.在支护力较小和岩体质量较差情况下，采用Hoek-Brown破坏准则推导得出的塑性区半径和修正的芬纳公式计算得出的塑性区半径差别稍大.相对塑性区半径与地质强度指标都呈负乘幂函数关系，随着支护力的增大，塑性区半径随着岩体质量等级的升高而下降的趋势逐渐变缓.建立的相对塑性区半径随地质强度指标和支护力变化的二元非线性回归数学模型简明，使支护力连续变化，提高了工程实用性.结论在岩体质量较差情况下，锚杆深度取1.8-3.0倍硐半径为宜.

基于Hoek-Brown非线性破坏准则的软岩地基极限承载力数值模拟

基于有限差分分析(FLAC)的软质岩石地基承载力数值计算模型,分析中将软质岩石地基视为均质、各向同性的连续介质,采用理想线性弹塑性本构关系模拟和Hoek-Brown非线性破坏准则及非关联流动法则。为便于数值模拟,采用切线法,把Hoek-Brown非线性破坏准则转换成Mohr-Coulomb线性破坏准则,并依据等量原则推导了瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力的计算公式,编制了基于FLAC内置FISH语言的子程序。通过施加竖向速度向量,分别获得了圆形基础下考虑和忽略岩体自重的极限承载力。与理论值和现场载荷板承载力试验结果进行的对比分析表明,Hoek-Brown解结果比Bell解结果更接近实测值,但都偏于保守,而数值计算结果与实测值非常接近,特别是在考虑自重的情况下,误差仅为2%。说明对于软质岩石地基的极限承载力,采用基于Hoek-Brown非线性破坏准则的FLAC数值模型进行分析是合适的。

基于广义Hoek-Brown准则的岩体等效强度

为了更方便地求出岩体的等价粘聚力C和摩擦角φ,基于Hoek-Brown准则与RMR法岩体质量分级,求出不同RMR值下的C和φ,拟合出C和φ的折减系数关于RMR值的变化曲线。结果表明:对于质量等级较好的岩体,根据RMR值可以分别求得岩体的C和φ的折减系数,对已知岩石的C和φ值进行折减,求得岩体的C和φ值。岩体的C值随岩石单轴抗压强度成线性正相关,岩体的φ值不随单轴抗压强度变化而变化。C和φ的折减系数不随岩石的单轴抗压强度变化而变化,只与岩体RMR值有关。

基于C2阶连续函数的广义Hoek-Brown强度准则屈服面与塑性势面棱角圆化方法

Hoek-Brown强度准则的屈服面与塑性势面在棱角处导数无定义,具有数值奇异性,采用圆角进行光滑过渡只能满足一阶导数连续性,而二阶导数仍然无定义,使得棱边上一致切线模量矩阵无法正确计算,导致有限元总体平衡方程组Newton-Raphson隐式迭代二阶收敛性丧失。提出基于C2阶连续函数的广义Hoek-Brown准则屈服面与塑性势面棱角圆化方法,使得棱角处函数曲面二阶连续可导,棱边上一致切线模量矩阵可精确计算。基于ABAQUS数值开发平台,采用FORTRAN语言编制Hoek-Brown准则理想弹塑性UMAT用户子程序,通过数值算例验证所提方法的正确性。

基于广义Hoek-Brown强度准则的PEM节理边坡可靠性分析

广义Hoek-Brown强度准则(简称GH-B准则)作为估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及数值计算领域中应用最广的准则之一。经验公式中涉及3个与岩体特性有关的材料参数mb、s和a,实际应用中还不能直接对这3个参数进行精确取值,只能通过中间变量推导或结合地质经验来确定。为尽可能大地消除因用Hoek-Brown经验公式(简称H-B经验公式)的中间变量推导带来的累积误差,消除边坡稳定性评价结果的偏差,提出了从基本随机变量着手,考虑基本变量的可变性与不确定性,借助可靠性理论来综合分析评价边坡潜在破坏概率和风险程度的方法。研究基于GH-B准则的节理岩质边坡的可靠性问题,首先从决定H-B经验公式的4个基本参数GSI、σci、mi和D出发,研究变量的分布概型及取值范围,然后引入到H-B经验公式中去,利用有效地可靠性计算方法求解边坡的失稳概率,将统计矩点估计法(PEM法)引入到节理岩质边坡失稳概率的求解中,通过对一开挖桥墩承台边坡的可靠性分析表明,基于GH-B准则的PEM方法提高了稳定性评价的客观性,结果更加真实可靠。

基于Hoek-Brown破坏准则的均质岩石边坡动力稳定性拟静力分析(英文)

将"外切线法"与强度折减技术相结合,采用拟静力法分析符合非线性Hoek-Brown破坏准则均质岩石边坡的动力稳定性。采用"外切线法"的Hoek-Brown破坏准则的瞬时抗剪强度参数(瞬时内黏聚力ct和瞬时内摩擦角φt)作为变量参数引入稳定性分析过程。采用内点迭代方法对岩坡动力稳定性拟静力安全系数的上限计算表达式进行求解,通过与已有研究成果的对比验证本文方法的有效性和正确性。为便于工程应用,将均质岩坡安全系数Fs与地质强度指标参数GSI之间的关系绘制成图形。

基于广义Hoek-Brown准则隧道围岩抗力系数研究

基于广义Hoek-Brown准则,并引入罗德参数ξ反映中间主应力的影响,在研究隧道围岩力学性质的基础上,推导出围岩抗力系数公式;并运用于工程实践。讨论在不同ξ及不同埋深条件下,抗力系数的变化规律。由研究结果可知,围岩抗力系数随着ξ的增大逐渐减小;随隧道埋置深度增加而减小。

基于Hoek-Brown准则的薄基岩厚松散层覆岩变形破坏特征研究

基于Hoek-Brown准则,以实验数据为基础确定了乌兰木伦矿的岩体力学参数,并运用FLAC3D研究了煤层开采引起的覆岩破坏特征。结果表明:①在浅埋深条件下覆岩破坏直至地表,地表形成偏态下沉盆地,最大下沉值2.1 m,下沉系数0.6。②在开采区域四周边界一定范围内分别形成应力降低区和应力增高区,呈现“外紧内松”状态,在工作面煤壁前方垂直应力集中程度最高,应力集中系数为2.2,在工作面煤壁上方和开切眼上方均存在“压力拱”,但两者的跨度、拱脚区域大小及应力集中程度不同。③乌兰木伦矿12403工作面垮落带高度为18.9 m,导水裂隙带高度为62.5 m。

完整岩石的Hoek-Brown破坏准则适用条件及其与一种新的破坏准则对比

作为一种非线性经验强度模型,Hoek-Brown(H-B)破坏准则有一定的适用条件。基于H-B破坏准则的基本公式,建议将围压范围0<σ3<0.5σc(σ3为岩石破坏时的最小主应力;σc为单轴抗压强度)作为其适用条件,在该条件下H-B破坏准则能较好地拟合岩石三轴压缩试验数据。进而采用一种新的完整岩石破坏准则与H-B破坏准则对几组岩石三轴压缩试验数据进行拟合,对比发现,在适用条件内,H-B破坏准则可较好地拟合岩石三轴压缩试验数据,然而将拟合延伸到高围压阶段会高估岩石强度,需引起注意;新模型可在较大围压范围内较好地拟合岩石三轴压缩试验数据,有更强的非线性能力和适用性。

基于广义八面体理论的混凝土多轴破坏准则综述

广义八面体单元体系(含衍生单元体)是在真三轴应力状态下,根据不同材料的破坏(屈服)面特征,依次采用3组破坏面对正六面单元体进行截取所得到的,而依据这些单元体所建立的各种理论模型即构成为广义八面体理论内容.因广义八面体理论的显著特点是对称性,所以基于这一理论的混凝土多轴破坏准则将具有简洁的特点.为此可通过特定试验方法探求混凝土新的损伤变量、确定表达混凝土本征的内在变量及其联系,并采用损伤-断裂等方法建立起混凝土的多轴破坏准则,其包括强度准则、变形准则和强度-变形准则,及其在应力空间和偏平面上的屈服演化规律等,以便更好地描述混凝土在多轴应力状态下的破坏行为.

广义HOEK-BROWN经验准则在边坡岩体力学参数估计的应用研究

岩体因结构面切割作用而具有非均质、各向异性和不连续性的特性,这使得岩体强度与普通均质材料强度有所区别。工程实践中,岩体力学参数只能通过原位试验或经验公式进行估计。原位试验费钱费力且部分地区无法进行试验,因此通过经验公式获取岩体力学参数是很好的选择。广义Hoek-Brown强度准则考虑岩体结构、岩块强度、岩体扰动等多方面因素,能够很好反映岩体非线性破坏特征,利用该准则可对边坡岩体力学参数进行估计。通过量化GSI的广义Hoek-Brown强度准则估算吉尔木隧道出口边坡岩体力学参数,结果表明:该方法估计获得的参数是合理的。通过计算表明边坡主体部分岩体单轴抗压强度为1.5 MPa,变形模量为4 GPa,抗剪强度指标C=0.6 MPa,φ=32°。广义Hoek-Brown强度准则在高陡边坡岩体参数的估计中能更加方便、及时、准确地反映岩体的实际情况,在工程实践中具有很好可操作性。