一种简便的岩石三维Hoek-Brown强度准则

针对岩石Hoek-Brown(HB)强度准则无法考虑中间主应力对强度的影响的问题,借鉴混凝土Ottsosen强度准则表达式,提出一个简便三维HB准则。详细推导所提出准则的3种不同表达式,并对其强度破坏面图像外凸性和光滑性进行证明。涉及的待定参数采用多元非线性拟合模型确定,采用8种不同的岩石真三轴试验验证模型的合理性。同时比较新强度准则3种不同表达式得到的确定系数,进一步与其他3个三维HB准则进行了比较。结果表明准则不但简便,具有较高的精度,且便于进一步形成弹塑性本构。     

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 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 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25 MPa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准则的岩石损伤本构模型研究及其参数探讨

 在Hoek-Brown准则及假定岩石颗粒服从Weibull函数随机分布的基础上,结合岩石峰后软化的特点,对损伤参量进行合理修正,建立能反映岩石破裂全过程的三维损伤本构模型,并通过试验验证该模型的正确性。研究结果表明,该模型结果与试验结果吻合程度较好。在此基础上,探讨Weibull分布参数及Hoek-Brown准则中参数对岩石损伤本构模型的影响,对实际工程中适用于该准则的岩石有较好的参考价值。     

基于单轴剪切破坏的岩石M–C准则参数反演分析

基于岩石单轴压缩试验中出现的不同剪切破坏形式,应用极限分析法推导出岩石单轴抗压强度与黏聚力及内摩擦角的关系式。结合矿区岩石单轴、三轴试验结果,验证以岩石M–C准则参数计算单轴抗压强度关系式的正确性,据此关系式获得的结果与试验结果差值在6%~10%之间。采用实例进行岩石黏聚力和内摩擦角的反演分析,以岩石实际单轴剪切破坏形式和试验结果为依据,两两结合联立计算得到岩石的黏聚力和内摩擦角。实例表明:基于单轴剪切破坏形式和单轴抗压强度值计算岩石黏聚力和内摩擦角的方法准确,具有实用价值,该关系式也揭示了岩石试样破坏类型与岩石力学参数间的内在关系。     

岩石强度准则的数学形式和参数确定的研究

基于6种岩石的试验数据研究6种常规三轴强度准则。利用偏差平方和最小即最小二乘法确定强度准则中的待定系数,误差较大的个别数据使拟合曲线整体偏离多数正常数据;将强度准则变化后线性回归的结果可能完全失真;建议以拟合偏差的绝对值之和最小为目标直接搜索强度准则中的待定参数。剪应力–正应力的Mohr强度准则所陈述的力学含义并非真实,且不易确定其中的待定参数,建议使用显式的主应力强度准则。含有单一参数的抛物线准则可以描述多种岩石的强度特征,优于含有2个待定参数的Hoek-Brown和Coulomb准则;含有3个参数的指数强度准则具有较小的平均拟合偏差,且可以凸显异常数据点,优于二次多项式准则与广义Hoek-Brown准则。     

Hoek-Brown强度准则研究进展与应用综述

1980年E. Hoek和E. T. Brown提出了Hoek-Brown(H-B)强度准则,已充分得到岩石力学与工程研究者的认同,并进行研究和应用。首先系统地阐述H-B强度准则研究进展：E. Hoek和E. T. Brown对H-B强度准则的研究成果、三维H-B强度准则、H-B强度准则岩石和岩体参数研究、考虑层状节理的H-B强度准则及其参数的各向异性研究。再对过去30 a国内外基于H-B强度准则工程应用的成果进行总结。最后对笔者所开展的H-B强度准则最新研究工作进行介绍：提出一种真正意义上的广义三维H-B强度准则,并采用3种Lode角函数进行屈服面修正,使其可以直接应用于后续本构模型建立和数值软件嵌入;采用三维颗粒流模型进行微观数值建模,对H-B强度准则岩石和岩体参数开展微观研究并建立多尺度联系,为参数的确定提供更加可靠的依据。     

Hoek-Brown准则的多项式近似解法

Hoek-Brown岩体破坏准则已在全世界范围内的岩土工程中广泛应用,它综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多方面的影响。基于通用的Hoek-Brown准则,引入Lambe变量和既时摩擦角,将其转化为Mohr-Coulomb破坏准则的形式,得到用Mohr-Coulomb破坏准则形式表示的隐式函数Hoek-Brown准则。为求得隐式函数的近似解,采用三次和四次多项式进行拟合,得到了n为0.5及0.65时的近似解以及Hoek-Brown破坏应力圆的Mohr包络线,并给出了各不同多项式拟合公式的误差分布。经分析对比,考虑到精度和工程的适用性,最终选用四次多项式进行拟合。最后结合一嵌岩桩嵌岩段极限摩阻力工程实例,并给出了该算法求解的具体过程。     

Hoek-Brown准则中确定地质强度指标因素的量化

 追踪Hoek-Brown准则利用岩块力学参数估算岩体力学参数所采取方法的进展及各种改进措施。指出Hoek创立的最新方法——地质强度指标(GSI)法完全依赖定性描述和个人主观经验的不足,揭示决定地质强度指标的物理因素是岩体结构类型,化学因素是岩石风化状况。引入基于钻孔岩芯不同完整长度的岩体块度指数,以定量地表征岩体结构。分析岩石风化在化学上是原生矿物水解、淋失促使矿物蚀变而导致岩性改变的过程,依此提出表征岩石风化状况的定量指标——岩石绝对风化指数,同时研究推出其计算方法。将岩体块度指数、绝对风化指数在地质强度指标的区间范围概化表上有机结合起来,构成了GSI的定量确定方法。利用该方法估计一公路隧道围岩的变形模量、抗拉、抗压及抗剪强度等力学参数,并计算塌落拱高度。与实测数据对比,其最大误差在14%左右,验证方法的有效性和实用性。     

广义三维Hoek-Brown岩体强度准则的修正及其参数多尺度研究

对广义三维Hoek-Brown(H-B)强度准则的修正及其岩石和岩体参数确定方法、基于颗粒流模型的岩石和岩体细观数值建模方法、宏/细观尺度下修正广义三维Hoek-Brown强度准则参数的多尺度联系等进行了较为系统和深入地研究,主要研究内容和研究成果如下:(1)采用3种不同Lode势函数的替代方法对广义三维H-B强度准则的屈服面进行修正,并对修正后的广义三维H-B强度准则进行了屈服面光滑和全凸性的验证以及强度预测精度的验证和评价。研究结果表明,该修正广义三维H-B强度准则不但拥有较高的强度预测精度,而且较好地解决了广义三维H-B强度准则屈服面的不光滑和非全凸性的问题。(2)运用收集的真三轴试验数据,对修正广义三维H-B强度准则的岩石参数进行了最佳拟合,并借鉴H-B强度准则参数确定方法,提出了适用于修正广义三维H-B强度准则岩石参数mi和岩体参数mb,s,a确定方法。(3)采用细观球形颗粒对岩石进行颗粒流数值建模和试验,研究了球形颗粒的尺寸、尺寸分布、黏结模型、黏结的法向和切向强度、颗粒间摩擦因数等细观参数对修正广义三维H-B强度准则岩石参数mi(mi12)的影响,得出了细观颗粒产生互锁结构的紧密程度是控制整岩石参数mi的关键因素的结论。(4)提出了非球形颗粒间接建模的方法,采用细观非球形颗粒对岩石进行颗粒流数值建模,在细观尺度上构建更加紧密的互锁结构,所建立的岩石数值模型可以反映所有类型的岩石,较好地解决了基于颗粒流模型开展岩石和岩体参数细观研究的难点问题。(5)采用细观非球形颗粒对岩石进行数值建模和试验,研究了非球形颗粒的数量、尺寸、长宽比、形状等细观参数对修正广义三维H-B强度准则岩石参数mi(mi12)的影响,并对2种典型的岩石LDB花岗岩和Carrara大理岩进行了建模和验证。通过建立岩石参数在细观尺度、宏观尺度以及工程尺度的联系,为修正广义三维H-B强度准则提供了多尺度的理论依据。(6)结合"固有型"和"诱导型"各向异性岩石的细观数值建模和试验,对各向异性明显的修正广义三维H-B强度准则完整(I)岩体和块体(B)岩体参数mb,s,a开展了多尺度研究,研究结果表明,采用细观尺度的颗粒流建模不但可以重现宏观尺度的各向异性基本性质,而且可以较精确反映修正广义三维H-B强度准则岩石和岩体参数。(7)结合分形理论和统计数据对不同尺寸的岩石分别进行了数值建模,通过数值试验对岩石尺寸效应进行验证,并对修正广义三维H-B强度准则完整(I)岩体、块体(B)岩体和非常块体(VB)岩体参数mb,s,a开展了尝试性多尺度研究。研究表明,采用细观尺度的颗粒流建模不但可以重现宏观尺度的尺寸效应基本性质,为颗粒流在岩石和岩体力学与工程中的应用开拓广阔的前景,更为重要的是可以为工程中岩石和岩体参数的确定提供更加可靠的依据。     

岩石的强度和强度准则

尽管“岩石强度是一个意思不大的而且与试验条件密切相关的概念”［１］,但确定岩石的强度和强度准则仍然是实验室试验的主要内容,也是每个工程设计必须首先进行的工作。所有教科书均对此详细论述,相关研究从未间断。文［２］根据５５种岩石材料的试验结果建议采用幂函...     

考虑法向应力与岩石强度的加锚节理岩体剪切力学模型研究

为分析法向应力和岩石强度对锚杆锚固效应的影响规律,选取红砂岩、石灰岩、玄武岩3种代表性岩石开展加锚节理岩体直接剪切试验,基于试验结果,根据静定梁理论和最小余能原理,建立考虑岩石结构效应和等效剪切面积的加锚节理岩体力学分析模型,并结合理论计算公式,分析不同锚固角下岩石强度对锚杆轴向力和剪切力的影响规律。研究表明：锚杆的锚固效应在宏观上表现为增加节理面的当量内摩擦角和黏聚力,且岩石强度越大,锚杆对节理面剪切强度的贡献值就越大。与试验数据和已有分析模型对比分析表明,理论模型的计算值与试验结果更为吻合。通过计算分析可知,随着锚固角的增加,锚杆轴向力对节理面剪切强度的贡献度逐渐减小,剪切力对节理面剪切强度的贡献度逐渐增加,并且锚杆最佳锚固角在50°～70°范围。     

基于V.RQD值与Hoek-Brown准则的破碎岩体强度研究

被多组贯通结构面切割后产生的大体积破碎岩体在不同围压下仍具有一定的强度,但通过Hoek-Brown准则对其进行强度评价时,因对岩体结构划分缺乏定量描述,使得参数m与s的取值很难准确确定。在传统RQD值不足的基础上,引入不同阈值下的三维体积V.RQD值概念,建立破碎岩体质量指标V.RQD值计算机模拟方法,结合RMR评分标准和Hoek-Brown强度准则,通过探讨三维体积V.RQD值的取值范围,得到不同阈值时岩体质量参数m,s值与Hoek-Brown强度包络线以及岩体变形模量E0等之间的一些变化规律,定量化表述V.RQD值对破碎岩体强度的影响。结果表明,V.RQD值作为岩体质量指标之一,可为破碎岩体的强度估计提供新的实用途径。     

基于爆破损伤的Hoek-Brown强度准则修正

传统隧道围岩分级方法未考虑爆破损伤因素对围岩分级的影响,爆破作为隧道主要开挖方法,其产生的岩体损伤对岩体分级评判标准的影响不可忽略。笔者分析了基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数取值方法,指出了Hoek-Brown强度准则和现有改进公式中确定岩体参数存在的不足。考虑爆破累积损伤效应,提出了不同围岩级别下Hoek-Brown经验常数m_b、s、a的计算方法,建立了考虑隧道埋深与爆破累积损伤效应的不同围岩级别的Hoek-Brown强度准则经验常数计算公式。以龙南隧道1号斜井爆破现场试验得到的声波变化率对修正公式进行了检验分析,验证了Hoek-Brown强度准则岩体经验常数修正公式的准确性。     

基于Hoek-Brown准则的岩体力学参数优化

本文根据广义Hoek-Brown准则在估算岩体参数的中的应用,在总结前人改进Hoek-Brown参数计算方法的基础上,针对高寒地区、多雨地区等特殊环境下的岩体力学参数的确定,对广义Hoek-Brown准则参数m,s的计算方法进行改进,引入了特殊扰动系数Dc。通过计算岩体力学参数实例把本文的改进方法与以往的研究对比发现改进之后的取值更加合理。将改进的方法用于处于冻融环境下的高陡边坡稳定性分析,验证了改进的合理性。     

基于岩体波速的Hoek-Brown准则预测岩体力学参数方法及工程应用

 根据建立的由岩体波速估算地质强度指标GSI和岩体扰动参数D的计算公式,引入Hoek-Brown准则,给出岩体波速预测岩体力学参数方法(简称岩体波速法)。以中缅油气管道(国内段)澜沧江跨域工程边坡岩体力学参数研究为例,并以室内岩石物理力学参数和场区声波测试数据为基础,采用岩体波速法和E. Hoek建议法预测场区的岩体力学参数。结果表明：岩体波速法和E. Hoek建议法所得的结果平均相对误差均较小,两者基本等效,数值模拟结果更进一步验证了工程应用效果的合理性。该方法在试验资料不足的情况下,能为岩体力学参数的快速评价提供一条新途径。     

Hoek-Brown准则m及s参数的确定方法

对目前工程中广泛使用的Hoek-Brown破坏准则进行了研究,发现其应用的关键问题之一就是m,s参数的确定,不同的学者、不同的工程、不同的分析角度以及不同的侧重点,都导致研究方法多样性的出现,对这些方法进行了总结,以便于以后研究查阅。     

基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场

 针对岩体介质非线性破坏特点,采取国际广泛接受应用的建立在地质强度指标(GSI)法基础上的Hoek-Brown屈服准则,建立基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场计算的新方法。首先,根据Hoek-Brown准则确定岩体强度参数;然后,将Hoek-Brown准则不同法向应力水平上的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,用等效内摩擦角和等效黏聚力的Mohr-Coulomb准则代替Hoek-Brown准则;最后,将基于Mohr-Coulomb破坏准则的边坡临界滑动场计算方法进行改进,建立新的迭代方法,获得边坡在满足力与力矩平衡条件下的整体和局部临界滑动面和相应的安全系数。将该方法应用于2个算例和一工程实例边坡的稳定性分析,计算结果表明,该方法既继承了临界滑动场方法快速、准确找到边坡整体局部临界滑动面的优点,又能考虑岩质边坡非线性破坏的特点,更加符合工程实际。     

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。     

岩石直剪峰后曲线与抗剪强度参数关系探讨

对多组泥岩、白云岩和灰岩试样进行直剪试验,利用不同法向应力下峰值剪切强度求得其抗剪强度参数(内摩擦角和黏聚力c)。通过对剪应力–剪切位移曲线的进一步分析,发现峰后曲线和抗剪强度参数有以下关系:(1)峰值剪应力与残余剪应力之间的剪应力跌落值近似等于黏聚力c;(2)残余剪应力和法向应力关系可近似用内摩擦角来描述。将2种方法求得的抗剪强度参数进行对比,结果表明:在法向应力满足一定条件时,利用峰后曲线求得的抗剪强度参数可作为岩石的抗剪强度参数的近似值。基于对以上现象的理论分析,提出一种利用峰后曲线计算岩石的抗剪强度参数的近似方法,并给出该近似计算方法的具体计算过程。该方法较直观地解释了岩石直接剪切试验峰后曲线的物理意义。     

基于原位试验和规范的岩体抗剪强度与Hoek-Brown准则估值比较

 简要论述目前岩体抗剪强度确定方法,以黄河上游玛尔挡水电站坝基岩体为例,在岩体质量分级基础上,引入规范建议值及现场原位大型剪切试验结果,建立岩体抗剪强度指标与BQ岩体质量分级的相关关系。同时利用实测资料建立BQ与GSI的相关关系,运用Hoek-Brown准则估算各试验点岩体的抗剪强度指标。结果表明,采用该研究成果较符合工程实际,而采用Hoek-Brown准则估算的等效内摩擦因数偏小,黏聚力则偏大很多。误差分析表明,这一结果主要是由Hoek-Brown准则中最小主应力的取值范围引起的,据此提出公式应用中需注意的问题及相应解决方法。