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。     

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。     

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。     

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。     

柱状节理岩体各向异性强度准则研究

以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。     

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。     

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。     

节理岩体Hoek-Brown经验强度准则可靠度分析

基于二滩水电站和溪洛渡的工程岩体实例,提出了岩体 Ｈｏｅｋ Ｂｒｏｗｎ 经验强度准则的可靠度计算方法,同时讨论了准则可靠度对 ｍ ,ｓ 等强度参数的变异系数的敏感性以及在三维岩体 Ｈｏｅｋ Ｂｒｏｗ ｎ 经验强度准则中第二主应力对可靠度的影响程度。通过分析指出, 强度参数的变异性是准则可靠度的决定性因素之一,因此, 岩体工程的详细勘察和试验以及对参数的变异性进行统计分析,对于工程设计来说是具有重大意义的。     

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。     

考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

目前在工程设计中,仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体,在考虑节理对岩体强度的弱化作用时,均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减,因而未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲,也许是可以接受的,但随着建井深度的增加,进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征,岩体的各向异性将不能忽略。将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映,从莫尔–库仑抗剪条件出发,采用方向分布函数分析方法,曾提出了一个基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。简要论述该各向异性强度准则,根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明:考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时,在给定的泥浆压力下,沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其他方向钻井的安全系数高。     

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。     

莫尔-库仑和霍克-布朗强度准则用于评估脆性岩石动态强度的适用性

基于对新加坡Bukit Timah花岗岩进行的一系列的动力实验，包括单轴压缩，三轴压缩，单轴拉伸和直剪实验，以及对这些实验结果的系统分析，检验莫尔-库仑准则和霍克-布朗准则用于评估岩石动态强度的适用性，研究结果表明，在较低的围压条件下，岩石动态强度大致符合莫尔-库仑强度准则，且强度变化主要是由于粘聚力附加载速率变化引起的，岩石动态强度更好地符合霍克-布朗强度准则，特别是在较高围压下（如大于100MPa）。     

岩石的非线性统一强度准则

Hoek-Brown强度准则在岩石工程中被广泛采用，但由于它没有考虑中间主应力效应，因而在理论和实际应用上都存在不足之处，综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点，提出一个适用于岩石的非线性统一强度准则，这一准则既考虑岩石拉压强度相差较大的特点，又考虑了中间主应力效应及其区间性。Hoek-Brown强度准则和非线性双剪强度准则在π平面上构成了岩石屈服破坏面的内边界和外边界，它们均为所提准则的特例。岩石的非线性统一强度准则，其子午线是非线性的，其参数与Hoek-Brown准则的参数一致，可以用岩石的常规三轴试验结果按Hoek-Brown提出的回归公式得出，完整岩石能够从常规三轴试验数据预测出不同应力角的破坏极限线，与国内4个单位6种岩石20余组岩石真三轴实验结果对比表明，该准则与实验结果吻合良好，这一准则也可以推广到岩体或节理化岩体。