Hoek-Brown岩体强度估算新方法及其工程应用

如何利用现场调查和室内试验来估算工程岩体强度参数一直是众多工程技术人员要解决的难点问题，而Hoek-Brown强度准则为此提供了一条良好的途径。文中详细介绍了Hoek-Brown强度准则的由来、发展反目前的发展现状和应用状况，并介绍了最新的Hoek-Brown强度准则和岩体强度估算方法的内容。最后笔者结合国内的一个大型水电工程，详细介绍了其应用和效果。说明该方法完全解决了工程岩体强度参数估算的问题，而且效果电好，有着广泛的应用前景。     

兰右山边坡岩体力学参数研究

通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、岩体现场声波测试和软层现场PANDA测试得出了兰右山边坡岩体基本质量值和地质力学权值,按Hoek-Brown强度准则估算了岩体力学参数,并以此参数作为兰右山边坡工程设计和施工的参考依据．     

基于Hoek-Brown准则的边坡开挖岩体力学参数研究

将边坡开挖弱化因子引入广义Hoek-Brown强度准则,并对其进行定量表述,以研究爆破开挖对边坡岩体力学参数的影响程度．工程实例表明：开挖对不同边坡岩体的力学参数的影响程度不同,对坚硬岩体的影响比对软弱岩体的影响大;开挖弱化因子与变形模量、黏结力和内摩擦角呈线性相关,与抗拉强度呈指数相关．     

基于GSI系统的边坡卸荷岩体强度参数确定

地质强度指标(geology stresgth index,GSI)系统和Hoek-Brown破坏准则能反映岩体所处的地质环境,估算出节理化岩体的强度参数。然而,对于具有卸荷特征的岩质边坡,以往GSI的取值缺少对卸荷裂隙与坡面间空间关系的考虑。借鉴边坡岩体质量评价系数(CSMR)系统中对边坡破坏方式和结构面产状的修正方法,以西南某水电站坝肩边坡为例,提出基于GSI系统的边坡卸荷岩体强度参数。     

爆破扰动下露天矿边坡岩体力学参数确定

 在矿山巷道工程和边坡工程稳定性分析中,岩体力学参数选取会对结果产生重大影响。通过现场大型原位试验方法可以确定出符合工程实际的岩体力学参数,但存在工程浩大、费用高昂,受到多种环境和技术条件限制。一般采用Hoek-Browm准则对室内岩块试验获得的力学参数进行工程处理,常用的Hoek-Brown准则在处理边坡岩石力学参数都是忽略爆破震动对露天矿边坡的影响,而爆破扰动是影响稳定性和岩体力学参数的主要因素。利用非线性方程来表征受扰动修正系数K_m、K_s与完整性系数K_v之间的关系,建立了Hoek-Brown准则经验参数m_b、s的一种改进取值方法。以新疆东戈壁露天矿东边坡为例,采用Hoek-Brown准则爆破扰动下的修正公式及前人公式进行分析计算,结果表明,由该方法确定的介于扰动和未扰动之间的岩体力学参数更符合实际。     

基于块体体积和岩体波速的岩体力学参数估算方法

岩体力学参数的准确取值是岩土力学与工程领域关键科学问题之一.首先引入可考虑节理间距与数量的块体体积（Vb）参数,提出了基于Vb的地质强度指标（GSI）的计算公式,并将基于岩体波速（Vp）的岩体扰动参数（D）代入Hoek-Brown强度准则,提出了基于Vb和Vp的岩体力学参数估算方法.然后通过与已有GSI计算方法对比,验证了基于Vb计算GSI的正确性,并将基于Vb和Vp的岩体力学参数估算方法应用于田西高速的参数取值,同时将数值计算结果与现场调查、监测结果进行对比分析,验证了所提方法的可行性和准确性.该方法推广了Hoek-Brown强度准则的适用范围,并为工程建设初期试验资料不足情况下的参数取值提供了一种新的思路.     

基于Hoek-Brown准则的Morgenstern-Price法在边坡稳定性分析中的应用

针对目前边坡稳定性计算中破坏准则均为Mohr-Coulomb破坏准则的情况,根据相关准则和原理,推导了基于Hoek-Brown准则的Morgenstern-Price法计算公式.该法克服了一般岩体边坡稳定分析中岩体强度参数纯经验取值的缺点,使计算更为精确、合理.采用具体算例进行对比,探讨了不同准则下边坡稳定性计算的差异原因,并运用基于Hoek--Brown准则的Morgenstern-Price法对安家岭露天矿北端帮滑坡进行了分析.     

尖山磷矿边坡岩体爆破开挖损伤测试研究

通过岩体声波测试,确定了岩体的损伤范围,并确定了损伤区岩体的损伤因子。根据损伤因子的确定结果,利用Hoek-Brown强度准则将岩块力学参数进行折减,确定出岩体力学参数。将确定的岩体力学参数用于边坡稳定性分析,分析结果与现场实际是一致,说明岩体损伤测试结果符合工程实际的。     

基于非线性破坏准则的岩体剪切强度参数确定方法

剪切强度预测是岩体稳定性分析的重要内容,为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体的剪切强度参数,利用理论推导和数值拟合的方法,探讨了Hoek-Brown参数到Mohr-Coulomb参数的转换过程,并分析了非线性准则中各个参数对于剪切强度参数的影响.结果表明.通过大量数据拟合回归的方法可确定剪切强度参数与Hoek-Brown准则参数之间的关系;随着地质强度指标GSI的增大,岩体的剪切强度参数c和φ均不断增大,黏结力较内摩擦角对于岩体地质强度指标的变化更为敏感;二者随mi的变化幅度均不大,GSI对于岩体强度的影响大于mi.     

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.     

基于声波信息预测岩体力学参数的研究

基于Hoek-Brown强度准则中运用地质强度指标GSI求取岩体力学参数的方法。通过改进构建起钻孔声波测试所得岩体纵波波速vmp,岩石单轴饱和抗压强度σc与GSI值之间的函数关系,并应用于Hoek-Brown强度准则预测了沙坨水电站大坝坝基岩体力学参数,结果显示预测值与实验测试值之间基本吻合。该方法为资料不足情况下探知岩体力学参数提供了一种参考方式。     

基于Hoek-Brown非线性极限平衡法的边坡安全系数

为了建立Hoek-Brown非线性准则下边坡安全系数计算的极限平衡法,通过理论推导与Hoek-Brown参数相对应的等效黏结力和内摩擦角,得到Hoek-Brown准则中简化Bishop极限平衡法计算边坡的安全系数公式,并分析Hoek-Brown参数对于边坡安全系数的影响,研究结果表明:岩体材料的等效黏结力与弱化因子D呈线性关系,而与岩体地质强度指标IGS、完整岩石单轴抗压强度σci和完整岩石参数mi呈非线性关系;等效内摩擦角与各Hoek-Brown参数均呈非线性关系.随D的增大,边坡安全系数F线性减小;随IGS的增大,F非线性增大;当σci较小时,F和σci关系呈现一定非线性特征,当σci较大时,二者呈现线性关系特征;F随mi的增大,呈先减小后增大的趋势.     

基于不同强度折减路径下的隧洞围岩稳定性分析

为解决隧洞围岩稳定性分析问题,开展了基于广义Hoek-Brown屈服准则强度折减法的研究.在有限差分软件FLAC^3D中利用FISH语言编制强度折减程序,并以计算收敛性和特征点位移突变性为判据,求得整体安全系数.针对广义Hoek-Brown屈服准则四个基本输入参数σ_ci、m_i、GSI和D,引入等效接近度概念,以此为基础对比分析了七种强度折减路径的合理性,得出折减路径的合理性依赖于具体工程参数的结论,并通过工程实例对比验证了上述结论.隧洞稳定性随D值的增大而降低;将计算收敛性以及特征点位移突变性相结合作为其稳定性的判断标准更为合理.     

库水升降作用下高陡岩质边坡稳定性分析研究

为有效分析库水升降作用下库岸边坡稳定性,以三山岛金矿的仓上露天坑尾矿库高陡岩质边坡为依托背景,选取库岸边坡岩样分别进行自然状态下和不同“饱水-失水”循环次数下的单轴抗拉强度试验、单轴抗压强度试验。考虑“饱水-失水”循环对岩石的损伤影响,在广义Hoek-Brown强度准则的基础上,引入了“饱水-失水”循环作用后岩石单轴抗压强度累积损伤率,对Hoek-Brown强度准则进行了改进,确定了库岸边坡的岩体力学参数。以此为基础,利用FLAC3D数值分析软件对库岸边坡进行稳定性分析研究。结果表明：库水升降作用对库岸边坡岩体物理力学性质的损伤作用十分明显,随库水升降循环次数的增多,库岸边坡岩体力学参数不断劣化。数值模拟监测情况与实际工程的位移监测数据对比分析整体误差较小,证明岩体力学参数计算的可靠性,以此为基础计算得库岸边坡将在经历30次“饱水-失水”循环作用后最终破坏失稳。其所得结论能够为类似边坡工程的稳定性分析提供参考与指导。     

库水升降作用下高陡岩质边坡稳定性分析

为有效分析库水升降作用下库岸边坡稳定性,以三山岛金矿的仓上露天坑尾矿库高陡岩质边坡为例,选取库岸边坡岩样分别进行自然状态下和不同"饱水-失水"循环次数下的单轴抗拉强度试验、单轴抗压强度试验。考虑"饱水-失水"循环对岩石的损伤影响,在广义Hoek-Brown强度准则的基础上,引入了"饱水-失水"循环作用后岩石单轴抗压强度累积损伤率,对Hoek-Brown强度准则进行了改进,确定了库岸边坡的岩体力学参数。以此为基础,利用FLAC3D数值分析软件对库岸边坡进行稳定性分析研究。结果表明:库水升降作用对库岸边坡岩体物理力学性质的损伤作用十分明显,随库水升降循环次数的增多,库岸边坡岩体力学参数不断劣化。数值模拟监测情况与实际工程的位移监测数据对比分析整体误差较小,证明岩体力学参数计算的可靠性,以此为基础计算得库岸边坡将在经历30次"饱水-失水"循环作用后最终破坏失稳。其所得结论能够为类似边坡工程的稳定性分析提供参考与指导。     

冻融循环作用下白云岩边坡的稳定性分析

为了探究季冻区白云岩边坡在冻融循环作用下的失稳机理,通过白云岩完整岩样的室内快速冻融循环试验、声速测试试验和单轴压缩试验,获得了不同循环次数后岩块的物理力学性质参数,结合广义Hoek-Brown岩体强度准则,利用冻融岩样的纵波波速量化冻融裂隙岩体的地质强度指标GSI和冻融扰动因子Dn,实现了将岩块的冻融力学参数向边坡裂隙岩体冻融力学参数的转化,并分析比较了岩体各参数的冻融劣化效应,最后以河北省北部山区某白云岩高边坡为背景,利用FLAC3D分析了边坡在冻融效应下的循序破坏机理。结果表明：边坡岩体的各项力学性质参数在冻融作用下均呈指数型下降趋势,其中岩体破碎度的冻融劣化效应最强;剪切塑性区主要在边坡的冻融层中产生和扩展,坡脚处的受损和变形最严重,边坡冻融破坏模式主要为表层碎裂岩块的崩落和沿冻融交界面的浅层滑塌。可见,冻融白云岩边坡的防护方案宜优先考虑从提升岩体完整性的角度入手并选用施工扰动较小的支护体系,以避免因施工扰动而造成浅层风化堆积体的滑塌。     

修正的广义开尔文粘弹塑性岩石本构模型变形参数特性研究

广义开尔文流变模型被广泛应用于描述岩质边坡开挖过程中岩体的粘弹性变形分析.由于岩质边坡在开挖过程中岩体的变形是粘弹性和塑性变形综合作用的结果,因此广义开尔文流变模型不能较好地表达岩质边坡在开挖过程中的变形.文章针对岩质边坡在开挖过程中边坡岩体表现出来明显的粘弹塑性变形特征,采用FLAC3D数值软件对符合修正的广义开尔文粘弹塑性本构模型的岩石试件进行单轴压缩数值试验,获得该粘弹塑性本构模型变形参数的基本特性,为岩质边坡开挖岩体粘弹塑性本构模型的选择提供参考.     

岩体经验强度准则及其强度参数m,s的确定方法

本文结合最新研究成果,详细介绍了岩体经验强度准则和参数m,s的确定方法,以为岩土工程界更好地应用Hoek-Brown或度准则有所启迪.     

散体围岩力学参数位移反演优化

针对散体围岩非连续性、松散的特性以及难以获得可信度高的力学参数的问题,基于Hoek-Brown强度准则和位移反演理论,提出一种新的岩体力学参数确定方法。采用Hoek-Brown强度准则估算散体围岩强度参数(黏聚力c、内摩擦角φ和抗拉强度στ)和变形参数(弹性模量EH),将估算出的强度作为位移反演分析过程中的已知参数,基于数值计算方法,对变形参数(弹性模量反算值EB和泊松比μ)进行反演优化。将弹性模量估算值EH和弹性模量反算值EB对比分析,进而修正估算的输入参数,从而得到接近实际的岩体力学参数。研究结果表明:EH与EB相差仅为0.01 MPa,相对误差为1.75%,小于5.00%,即参数合理有效;将新方法确定的力学参数应用于数值模型进行反演正算,得到ZK34+232断面拱顶下沉值和水平收敛值的相对误差分别为1.3%和3.4%,符合检验标准,满足工程实践,说明新方法是可行的,可以用于隧道工程设计和施工。     

开挖卸荷洞壁围岩强度变化规律研究

基于非线性Hoek-Brown强度准则,对地下岩体开挖应力重分布后岩体强度的变化规律进行了研究。结果表明,由于应力卸荷洞周一定范围岩体强度发生明显降低,不同部位降低幅值不同,距洞壁位置越远降低越小。岩体表征参数GSI、单轴抗压强度σci降低,卸荷后岩体强度降低,应力扰动系数D降低,岩体强度升高。