一种改进的真三轴Hoek–Brown强度准则

Hoek–Brown强度准则已经广泛应用于岩石与岩体力学分析、岩石边坡稳定性分析、岩石隧道设计等领域,但常规Hoek–Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,应用上不能反映岩石的真三轴力学性能,因此有必要对Hoek–Brown强度准则进行改进。通过分析岩石的真三轴试验结果,明确了岩石中间主应力对岩石强度的影响存在增强和抑制两种特征,当中间主应力大于临界值σ*2时,岩石强度被增强;当中间主应力小于临界值σ*2时,岩石强度被减弱。基于中间主应力的临界应力状态,引入中间主应力系数β,将一种2维Hoek–Brown强度准则改进为真三轴Hoek–Brown强度准则。采用非线性拟合方法确定了模型中的参数,通过对比8种岩石类型的真三轴试验数据,对改进后强度准则的精确性和普适性进行验证,并与其他3种真三轴强度准则做对比。结果表明:改进的真三轴强度准则的最佳参数m取值均能落在Hoek和Brown建议的取值区间,能够继承Hoek–Brown强度准则的优点。改进后的强度准则对8种岩石类型的均方根差(RMSE)均低于另外3种准则,能够准确预测岩石强度,且适用于大多数岩石类型,较好地体现了中间主应力对岩石强度的影响;Pan–Hudson准则总是在低σ2条件下高估岩石强度值,在高σ2条件下低估岩石强度值;Zhang–Zhu和Priest准则对岩石类型具有较强依赖性,描述精度较差。因此,改进的真三轴Hoek–Brown强度准则具有重要的应用推广价值。

基于约束收敛法的Hoek-Brown岩体巷道大变形分析

轴对称圆形巷道的弹塑性理论分析是深部软岩巷道施工过程的基础问题和重要问题。基于约束收敛法、有限变形次弹塑性理论、Hoek-Brown破坏准则、应变软化本构模型等基本理论,开展了深埋软弱围岩圆形巷道开挖诱致挤压大变形现象的基础研究。在相关大变形研究的基础上,以巷道开挖后围岩脆塑性解析解来表征岩体应变软化区划分圆环岩体响应解析解的方法,简述Hoek-Brown岩体深埋软岩巷道围岩各分区应力与变形解析解求解思路。通过现场监测数据和不同力学模型的计算结果分别进行模型有效性对比验证,并对m、s、a等岩体强度相关参数进行了影响分析。基于大变形和小变形理论下围岩特征曲线差别,提出软弱破碎岩体的支护建议,为深部不利赋存条件下软弱围岩支护工程设计提供理论分析手段和指导。

基于Hoek-Brown准则的岩体力学参数确定

国内外岩体力学参数测定的方法多不胜数,其中室内岩石力学参数试验法能较准确地确定岩体各类参数。以昆阳某磷矿为工程背景,进行现场采样并制备标准试件,分别对顶板、磷矿层以及底板岩样进行室内岩石物理力学参数试验。为提高参数结果的准确性,以及使数据更接近工程实际情况,将采用Hoek-Brown准则对参数计算结果进行折减,并进一步对经验准则中引入的扰动系数D、地质强度指标GSI以及完整岩石材料常数mi的取值进行分析。经过折减后,其结果表明,经折减后的力学参数综合考虑了更多的现场因素,使试验结果更准确,提高了后续现场相关工作的准确性。

基于Hoek-Brown准则的地下洞室围岩稳定性分析

基于Hoek-Brown准则,针对该准则中与围岩稳定性相关联因素,如最大主应力σ1、最小主应力σ3、岩石强度指标GSI和岩石单轴抗压强度σci,对水电站大型地下洞室围岩稳定性的影响开展分析,建立相关数值计算模型和方案,分析σ1、σ3、GSI和σci影响下大型地下洞室围岩变形、塑性区深度的变化规律。研究结果表明:根据不同σ1、σ3、GSI和σci条件下地下洞室围岩变形、塑性区深度的变化规律,可将围岩变形和塑性区深度划分为3个阶段:基本不变阶段、缓变阶段、陡变阶段。根据洞室围岩的塑性区特征,并结合洞室变形趋势等可将围岩变形和塑性区划分为自稳域、可控域、不可控域,得到基于Hoek-Brown准则的水电站地下洞室地应力-岩体强度-围岩稳定关系。自稳域对应地下洞室围岩处于稳定或基本处于稳定状态;可控域对应围岩有一定的变形或松弛破坏,但在一定支护策略下可控制变形或维持围岩稳定;不可控域对应围岩变形或松弛破坏较为明显,在一般支护策略下无法控制围岩变形或维持围岩稳定。根据研究成果可对Hoek-Brown准则下不同地应力大小、不同岩体强度的地下洞室进行围岩稳定性综合评判,用于系统指导地下洞室群的全过程设计和建设。

基于Hoek-Brown准则的层理岩石强度模型研究

为了提高Hoek-Brown准则对层状岩的适用性,减少对层状岩地质强度指标(GSI)取值的主观性,提出了考虑层状岩石GSI值随层理倾角β变化的修正Hoek-Brown屈服准则。首先收集不同层理角的层状岩在不同围压下的三轴试验数据,结果显示,层状岩石峰值强度与层理角β呈U形曲线关系。然后定义层理倾角β=0°的岩样为完整岩石,采用Hoek-Brown准则得到完整岩石的单轴抗压强度σc与参数mi,以此反算其他层理倾角下对应的GSI值。基于GSI随层理倾角β的变化趋势,采用高斯函数对GSI与β的变化关系进行拟合,从而建立基于Hoek-Brown准则的含层理岩石强度模型。最后对比GSI弱化模型所得峰值强度,验证了提出的修正Hoek-Brown准则对预测不同倾角与围压下层状岩强度具有较好的适用性,并对屈服准则中引入的新参数的意义进行了讨论。

基于Hoek-Brown准则的岩石地基承载力

确定岩体地基承载力的方法主要有岩基荷载试验方法、对岩石饱和单轴抗压强度乘以折减系数的规范法和查表法等。其中岩基荷载试验法结果较准确,但试验设备要求高,试验周期长,费用比较大,仅对少数重要建筑勘察采用。规范法比较简单方便,费用低,但折减系数的确定缺乏理论依据,精度不高。本文依据Hoek-Brown准则,利用岩石的单轴抗压强度,确定了岩体在不同质量程度下的地基极限承载力,并对此做出了说明。同时利用这一方法计算了部分岩石的岩体地基极限承载力表。

基于Hoek-Brown强度折减法的隧道开挖面稳定分析

在隧道开挖过程中,当泥水盾构通过岩层时刀盘磨损加快,需定点开舱检查及更换刀具,此时开挖面的稳定情况对工程安全至关重要。依托南京市江宁区新济洲供水管线廊道工程,采用PLAXIS~(3D)有限元软件建立数值模型,并与现场监测结果进行对比,基于霍克布朗(H-B,Hoek-Brown)准则的强度折减法,计算不同支护应力下隧道开挖面的安全系数,得到各工况下的破坏模式。结果表明:在该工程中,开挖面在各工况下均处于稳定状态,常压开舱安全系数2.9,带压开舱最大安全系数17.2,可优先选择常压开舱;开舱点开挖面附近岩土体破坏模式分为4类:中心内侵型、两侧内侵型、滑落型和外侵型;随着支护压力的增大,安全系数先增大后减小,最大安全系数对应支护压力约为1.35倍的开挖面水土压力。

基于Hoek-Brown的双向不等压隧道支护估算及工程应用

现行隧道塑性区分析中常基于轴对称荷载建立分析模型,忽略侧压力带来的影响。增加了对围岩侧压力的考虑,基于Hoek-Brown准则推导了双向不等压圆形隧道的塑性半径及应力计算式。依托滇中引水工程板凳山隧洞的监测数据,结合滑移剪切模型对隧道的极限位移和极限支护应力进行计算。结果表明:在确定围岩材料参数的条件下,塑性边界上的径向应力为恒值;环向应力在θ为0~30°范围内与侧压力成正比,在θ为30°~90°范围内与侧压力成反比,当θ取30°时环向应力为最大值,最终形成蝴蝶状的曲线。隧洞塑性区范围随着侧压力系数的降低呈现出上下端部小,中间部分大的椭圆形,在λ<0.38后,塑性区不再是可完整包裹开挖截面的椭圆形。基于滑移剪切模型对隧洞极限位移和极限支护应力进行计算,完善具有滇中红层特性的隧洞支护特征曲线。根据以上的计算结果对支护方案进行修正,并通过监测结果验证了方案的合理性。

考虑Hoek-Brown准则的盾构隧道掌子面稳定性分析

为了研究Hoek-Brown准则下盾构隧道的稳定性,依据南昌地铁1号线东延段盾构区间隧道工程背景,采用极限分析上限法构建主动坍塌和被动挤出2种破坏模式,推导了盾构隧道掌子面外功率和内能耗散率表达式,通过MATLAB软件算法求解了掌子面达到破坏极限状态时的盾构支护力范围。并通过监测盾构掘进期间的地表位移量,发现地表最大沉降量和最大隆起量均不超过2 mm,地表变形控制良好。

基于Hoek-Brown准则和Sarma法的海外水电工程边坡稳定性评价

在海外水利水电工程勘察中,由于中国规范与国外规范的差别,导致岩体力学参数的合理取值一直都是难点,难以得到业主及咨询方的认可。文章以老挝南俄4水电站10#坝段开挖边坡为例,利用基于GSI法的Hoek-Brown强度准则岩体力学参数估计方法,结合开挖地质资料和室内岩石力学试验结果,估算边坡岩体力学参数,分析对比GSI法和中国规范经验取值的差异,综合提出边坡稳定计算力学参数值,并采用Sarma法对坝基边坡的稳定性进行定量计算与分析。研究成果对类似海外水利水电工程地质勘察具有一定的指导意义。

基于Hoek-Brown准则等效强度参数的工程应用

为研究重庆至长沙省际公路共和隧道层状围岩稳定性,减小模拟值与实测值误差,并充分考虑倾角效应、静水压力效应和罗德角效应,将适用于层状岩体的修正Hoek-Brown(H-B)准则在I_(1)-√J_(2)平面与Mohr-Coulomb(M-C)准则进行瞬时等效,推导出用于层状岩体的等效强度参数公式,计算得到不同倾角下砂质页岩等效c、φ值,然后输入FLAC^(3D)遍布节理模型中对原岩体参数进行修正。结果表明:1)修正岩体参数法所得关键点位移变化规律与修正前一致,且位移量大于修正前,但当倾角大于60°后,该法适用性有所降低;2)修正后围岩各关键点偏应力(σ_(1)-σ_(3))始终大于修正前,且二者塑性区随倾角变化趋势一致;3)当岩体内摩擦角小于节理内摩擦角时,围岩塑性区面积较大;反之,当岩体内摩擦角大于节理内摩擦角时,塑性区面积较小。

基于岩体波速的Hoek-Brown模型GSI指标确定方法

常规的Hoek-Brown模型中地质强度指标GSI采用野外判别方法确定,但该方法受工程师经验影响较大。本文利用岩体波速、GSI与模量的关系,提出了一种采用岩体波速确定Hoek-Brown模型中GSI指标的定量计算方法,并提出了综合施工扰动影响的广义GSI指标。通过与常规方法对比,以及对长沙某项目的岩基载荷试验预测,验证了本文方法的可行性,对Hoek-Brown模型在工程中的广泛应用具有重要意义。

基于广义Hoek-Brown准则的边坡安全系数间接解法

为了将强度折减法与Hoek-Brown准则相结合,可通过2种方法间接得到安全系数,即直接折减Hoek-Brown参数及计算等效Mohr-Coulomb参数方法.理论分析表明,前者存在一定困难,因此选用后者.首先计算与Hoek-Brown参数对应的等效黏结力和内摩擦角;然后采用位移突变失稳判据,由Mohr-Coulomb强度折减法间接得到广义Hoek-Brown准则下边坡的安全系数.结果表明:间接计算方法方便可行,具有实用价值.

基于广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析

Hoek-Brown屈服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计算领域应用最广泛的准则之一,并在边坡极限平衡法计算中得到了广泛应用,但很少应用于数值模拟计算领域。本文结合工程实例,以广义Hoek-Brown屈服准则建立数值计算模型,并基于强度折减方法计算边坡安全系数,经与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟及极限平衡计算对比,得出基于Hoek-Brown屈服准则的模拟计算结果与其它方法一致并且正确的结论。并认为不同屈服准则条件下的边坡潜在滑移面位置及变形特点存在差异,原因在于不同的屈服准则采用了不同的流动法则。与Mohr-Coulomb屈服准则相比,Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则更加体现了节理岩体的变形和破坏特点,可有效反映岩体的非线性破坏特征,更加接近工程实际,适于节理岩体的强度计算及稳定性分析。

Hoek-Brown岩体非线性强度的线性化方法

以瞬态摩擦角φi为中间变量详细推导Hoek-Brown准则的τ-σ关系。根据Hoek-Brown准则的τ-σ关系,推求Hoek-Brown准则下最小单元安全系数所对应的截面位置,并认为该截面为岩体发生临界破坏时的破坏面。根据岩体发生临界破坏时的破坏面位置以及作用于该面上的正应力和剪应力求得岩体在发生临界破坏时所受到的最小主应力σ3。通过搜寻计算模型范围内每一种材料中所有单元临界破坏状态下的最小主应力σ3找出每一种材料中最小主应力区间。采用最小二乘法推导通用Hoek-Brown准则在任意最小主应力区间范围内的等效Mohr-Coulomb参数。采用本文中建议的线性化方法和Hoek-Brown准则强度折减法对一边坡算例进行计算。结果表明:当每一种材料的最小主应力区间划分得越细,通过等效Mohr-Coulomb参数求得的边坡安全系数和破坏面位置与通过Hoek-Brown准则强度折减法获得的结果越接近。

基于Hoek-Brown准则的岩质边坡稳定性分析

无论是传统极限平衡法还是数值模拟方法,强度准则和力学参数的选取对边坡稳定分析具有关键作用。基于非线性强度准则——Hoek-Brown强度准则,利用Slide软件,选取地质力学指标GSI、岩石材料参数mi、应力扰动系数D、边坡高度H及坡角β作为影响边坡稳定性的主要因素进行分析。分析结果表明:随地质力学指标GSI的增大,边坡稳定系数呈现出递增趋势,总体呈指数形式发展;GSI不同范围内,随着岩石材料参数mi的增大,边坡稳定系数F呈现出递增和递减2种截然不同的形式;随着应力扰动系数D的增加,稳定系数F呈直线形式递减;随着坡高H的增大,稳定系数逐渐减少,呈负指数形式发展。随坡角β的增大,稳定系数F逐渐减小,呈多段线形式发展,而β不同范围内斜率不同。根据E.Hoek等所提出的岩体分级标准中岩石单轴抗压强度界限值,对岩质边坡稳定系数进行分析,得到边坡稳定系数分布图。最后将稳定系数分布图应用于工程实例中,结果表明利用稳定系数分布图能很好地估算边坡稳定系数范围,与边坡稳定性定量分析结果具有较好的一致性。

岩石考虑中间主应力Hoek-Brown强度参数分析

为了进行深部地下工程稳定性分析,准确建立岩石强度准则,利用考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,将σ2+σ3作为自变量,σ1-σ3作为应变量,对国外学者所做的7组(白云岩、石灰岩、粗面岩、砂岩、页岩、大理岩和闪岩)真三轴压缩强度试验数据进行了拟合分析。采用多次拟合逼近方法,结合各参数的物理特点,给出了合理的参数取值或计算公式。分析结果表明,对于应力强度比κ介于1.5～8之间的高应力状态,考虑中间主应力Hoek-Brown岩石强度准则(σ1-σ3=σc[m(σ2+σ3)/(2σc)+s]n)与试验较吻合,其中参数n可取0.4,s可取1,m与应力强度比κ之间符合幂函数关系,可用公式m=1.5κ1.8计算。

基于Hoek-Brown准则的岩体注浆加固机制研究

采用离散裂隙网络(DFN)建立裂隙岩体模型,通过计算推导获得裂隙频率与Hoek-Brown经验参数的对应关系。借助离散元颗粒流程序PFC,计算分析了注浆加固前后岩体强度的各向异性程度以及沿不同方向和不同注浆黏聚力条件下的应力–应变曲线。在对Hoek-Brown经验参数物理意义分析的基础上,拟合注浆加固后的岩体强度曲线,并分析了注浆黏聚作用的影响规律。研究表明,注浆加固后抗压强度大幅提高,各向异性程度明显降低,其力学特性由延性逐渐转变为脆性。围压较低时,按照Hoek-Brown准则与文中模型计算的抗压强度存在一定差别,随着围压的增加,其误差逐渐减小。依据JCond与Hoek-Brown参数间的定量关系,获得了注浆加固对岩体强度的作用规律,其中参数s受注浆加固影响更加明显。由于m_b主要反映了岩体本身的强度性质,s反映岩体的破碎程度,注浆作用的体现与参数的物理意义相互吻合,证明了文中计算模型的合理性。

基于Hoek-Brown准则的板岩强度特征研究

建立在岩体各向同性基础上的Hoek-Brown经验强度准则被广泛地应用于地下和边坡工程的设计与安全评估。但Hoek-Brown准则不能直接用来处理层(片)状岩体如板岩或页岩以及含有1或2组优势结构面岩体的强度问题,因为这类岩体往往沿层(片)理或优势结构面破坏,必须对准则加以改进。基于对Hoek-Brown经验破坏准则的深入研究,通过对层状岩体完整岩石试件定义的改进,提出用Hoek-Brown准则的一个很重要的参数,即完整岩石试件的单轴抗压强度σci来表征层状岩体强度随层面倾角的变化规律以及应用Hoek-Brown准则来分析层状岩体强度的方法。按照该方法对南水北调西线工程场区不同层面倾角板岩岩石试件进行单轴、三轴压缩试验。根据对试验结果的统计分析,确定不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的相关参数,建立不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown强度准则。此外,还获得完整岩石试件的单轴抗压强度σci随层面倾角的变化规律,建立南水北调西线工程场区板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的统一表达式,并预测围压为10,15,20和25MPa下南水北调西线工程场区板岩岩体的三轴强度随层面倾角的变化规律。本文的工作可以为类似工程提供借鉴。

基于Hoek-Brown准则的隧洞围岩变形研究

由于在许多实际条件下,比如节理岩体中,线性的M-C准则不太适用,非线性的Hoek-Brown比较适用,因此,可以尝试使用这一非线性屈服准则对洞室变形进行研究。研究隧洞变形时,将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区。采用Hoek-Brown准则和非关联流动法则对洞室变形进行了理论推导;软化区域围岩参数随着塑性变形增加而变化,解析法难以求得应力,采用龙格-库塔方法进行数值计算,求解得到塑性软化区和流动区半径,并最终求得洞室变形。通过算例计算表明,在不考虑软化区和流动区时,方法和Carranza-Torres计算结果相差甚小;随着原岩应力的增加,膨胀角对洞室变形的影响增大。