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1、Hoek-Brown屈服准则及其在边坡工程中的 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Hoek-Brown强度准则的发展历史v最初的Hoek-Brown强度准则是Hoek E在专著岩石地下工程(Underground Excavations in Rock,1980)一书中发展起来的。v并于1992,1997,2002年多次提出了修改后的Hoek-Brown岩体强度估算方法vHoek E和Brown E T在分析Griffith理论和修正的Griffith
2、理论的基础上,凭借自己在岩石力学方面深厚的理论功底和丰富的实践经验,通过对大量岩石三轴试验资料和岩体现场试验成果的统计分析,用试错法导出的岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系式(公式1),即为Hoek-Brown强度准则,也称为狭义Hoek-Brown强度准则。(1)式中1,3为岩体破坏时的最大、最小主应力(压应力为正);c为岩块的单轴抗压强度;tmass为岩体抗拉强度;n,分别为岩体有效垂直应力和剪应力;m,s,A,B为经验参数,m反映岩石的软硬程度,其取值范围在0.000 000 125之间,s反映岩体破碎程度,其取值范围在01之间,A,B可以根据三轴试验数据拟合的曲线求得。v帝国科技大学
3、的John W Bray博士于1983年从理论上很好地解决了Hoek-Brown准则和非线性参数m,s之间的关系,以及与Mohr-Coulomb准则的c,值之间的关系vHoek E,Brown E T,1988年将“未扰动”和“扰动”岩体概念引入了该准则,将近地表岩体的质量等级降低一个级别,使准则不仅适用于地下工程,也适用于边坡工程v1994年Hoek E和Brown E T提出了广义破坏准则。广义破坏准则包括了最初的破坏准则和修改后的准则。这样一来,原始的狭义准则适用于质量极好到相对较好的岩体,而修改后的准则适用于抗拉强度为零的破碎和极为破碎的岩体。v1997年,Hoek E和Brown E
4、 T对以前的研究成果进行了全面总结,并且提供了估算岩体粘聚力和内摩擦角的计算公式(2)式中cm为岩体单轴抗压强度;k为1与3的关系曲线的斜率,一般通过室内三轴模拟试验确定。新Hoek-Brown强度准则及岩体强度估算方法v在Hoek-Brown强度准则2002年的版本中,广义强度准则的形式没有发生改变,但是与岩体质量有关的m b,s,有了很大的变化(式3)。(3)新增修正变量D值的范围为01,取决于外界因素对原位岩体的扰动程度,如爆破、岩体开挖、岩体卸荷等行为。v目前市面上大多数岩土工程软件都是依据Mohr-Coulomb破坏准则编写的,而在Mohr-Coulomb准则中,岩体强度是通过粘聚力
5、c和内摩擦角表征。针对这种情况,Hoek于2002年也提出了相应的岩体强度估算方法。式中3n=3max/c对于3max,Hoek给出了经验公式。当在隧道工程中使用Hoek-Brown岩体强度估算公式时当在边坡工程中使用Hoek-Brown岩体强度估算公式时式中H为边坡的坡高。式中为岩体的容重;H为隧道的埋深。上面各式中,c,mi,GS I及D为基础变量,可以通过确定它们来求得所需的岩体物理力学参数;c为岩石单轴抗压强度。工程应用工程应用v某一级水电站工程建设位于新疆维吾尔自治区北部天山西段,伊犁哈萨克自治州东北腹地。坝址区边坡高度一般为80200 m,出露的岩性为凝灰岩及安山岩,其中凝灰岩分布
6、最为广泛,而安山岩局部呈脉状产出,凝灰岩岩体强度较高,属硬质岩,抗风化能力强,坝址强风化层厚35 m,顺断层带时可达1020 m,强风化带岩体呈干砌块石状,风化裂隙发育,岩石结构发生变化,纵波速度Vp 2000m/s。坝址弱风化层厚度较大,一般厚2530 m,断层带可达40 m,弱风化层内断层面有风化的锈斑,但岩体的组织结构变化不大,顺弱风化层内的断层面附近,零星见有经渗流冲蚀形成的小孔隙和空洞,弱风化层纵波速度Vp=20003000 m/s。利用RMR 法对岩体进行分级可得岩体为级,RMR=55。表表1 水电站工程岩体岩石力学试验参数水电站工程岩体岩石力学试验参数岩性风化程度容重/gcm岩石
7、单轴抗压强度/MPa凝灰岩强风化2.6790弱风化2.7090.90 151.20(平均120.36)-3表表2 利用利用Hoek-Brown准则计算的边坡岩体强度参数准则计算的边坡岩体强度参数岩性风化程度Hoek-Brown分类输入参数Hoek-Brown准则参数cGS Im iDm bsa凝灰岩强85.043100.80.340.000180.52弱120.4551002.000.006740.503ctmcmEm/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa2.060.5235.90-0.0451.0453697.12.361.6851.94-0.4049.68513335.2表表3 利用利用
8、Hoek-Brown准则计算的洞室岩体强度参数准则计算的洞室岩体强度参数岩性Hoek-Brown分类输入参数Hoek-Brown准则参数cGS Im iDm bsa弱风化凝灰岩12255100.31.510.003860.5043ctmcmEm/MPa/MPa/MPa/MPa/MPa2.751.5148.98-0.3127.4211334.9v由上述结果可以看出,利用最新Hoekk-Brown岩体强度参数估算方法计算得出的岩体强度参数十分合理。这在利用这些参数进行高边坡稳定性分析和洞室群稳定性分析中也得到了充分的验证,根据经验也可以看出以上岩体参数是非常合理的。结论v通过以上论述可以看出最新Hoek-Brown准则及岩体强度参数估算方法基本上解决了现场工程岩体强度估算的问题,应用前景良好,使用方便。而且通过工程应用表明,利用该方法得出的岩体参数十分合理,可以有效地应用于工程岩体数值计算和模拟。v该方法需要的基础数据少,可以有效地利用现场工程地质调查数据来对岩体强度参数做出估算,从而节约了大量的现场模拟试验和室内试验,且不会降低工程所要求的精度。因此建议有条件的工程单位将该方法与室内、现场试验结合,广泛开展应用研究,从而实现降低成本,提高工程岩体力学计算精度的目的。
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