基于Hock-Brown强度准则的高应力判据理论分析

如何评价工程岩体中赋存的应力状态一直是工程设计人员所要面对的基本问题之一.应力状态评价需综合考虑岩体强度和岩体中赋存的应力两个要素,其评价结果反映了地下结构围岩在二次应力场作用下满足岩体强度准则时可能的变形破坏响应.通过对前人研究成果的分析,总结出高应力作用下地下结构的基本变形破坏规律.利用Hoek-Brown强度准则...     

基于地质强度指标法的柱状节理玄武岩体力学强度估计

节理岩体的强度是岩体工程设计的重要参数, 柱状节理岩体作为一种具有柱状镶嵌结构的特殊节理岩体, 缺乏相似的工程案例, 其岩体强度的确定是目前水电工程中的热点问题。本文综述了国内外相似工程中柱状节理岩体强度的研究进展, 以白鹤滩水电工程为例, 结合Hoek和Brown最新提出的地质强度指标法和强度准则估算了不同爆破损伤下的柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构柱状节理岩体的强度参数, 并得到白鹤滩水电站的原位试验成果的验证, 计算表明基于地质强度指标法的Hoek和Brown强度准则能较好的反映柱状节理岩体的强度参数。      

经验参数m,s对岩体强度的影响

在研究Hoek-Brown经验强度准则过程中,不难发现,该准则将工程岩体在荷载作用下表现出来的复杂破坏,归结为拉伸和剪切破坏两种机制;将影响岩体强度的复杂因素,集中包含在准则引用的两个经验参数m(岩石软硬程度)、s(岩体破坏程度)之中。因而研究m,s两参数对岩体强度的影响,有较大的工程实用价值。本着从工程应用精度要求出发,侧重其m,s对岩体强度值计算精度的影响和规律进行了探讨和研究,指出了精确确定m,s值对岩体强度的应用与理论规律研究的重要性,同时也对工程正确应用该准则给予了启迪和帮助。     

工程区高地应力判据研究及实例分析

对原地应力状态的准确把握是地下工程稳定性评价的重要基础,而选择可行的高地应力判据是进行地应力状态评价的前提条件。在详细分析现有各种原地应力评价判据的基础上,提出可行的高地应力判据,并在判据模型中引入了国际上认可度非常高的Shoerey模型,但该模型没有考虑岩体变形模量和岩石弹性模量的区别。通过广泛研究目前国内外关于岩体强度的理论和方法,引入Hoek-Brown岩体强度估算理论,补充完善了Shoerey模型。云南禄丰某工程隧道,工程区共布置两个地应力测孔,测试结果较为离散。利用应力状态评价和数据拟合方法,推算出最大埋深部位的应力值达19.29 MPa,而岩体整体强度仅为5.243 MPa。按照强度应力比和Shoerey模型的评判标准,该隧道洞身部位的应力状态均为极高应力状态,应引起重视。对原地应力状态评价的一般方法和步骤进行了概括总结,以方便其他工程参考使用。     

含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征分析

天然岩体中常含有多组相互交叉的贯通节理,它们的存在极大地削弱了岩体的力学性质。为了研究含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征,基于弹塑性数值流形方法,对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟。结果表明：岩体强度随节理倾角的变化曲线呈现出多波峰、多波谷特点,岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数形式。根据节理状态,两组节理岩体的破坏模式可以分为3种：岩块破坏、沿一组节理滑移和沿两组节理滑移。两组节理均会影响岩体强度,一组起主要作用,另一组起次要作用,并且节理组之间存在相互影响。通过对数值计算结果进行回归分析,基于一组节理岩体强度预测模型,量化节理组之间的相互影响,提出适用于含两组交叉贯通节理岩体的强度预测模型。模型形式简单,使用方便,可为实际工程中正确评估岩体强度提供指导性意见。     

基于量化的GSI系统和Hoek-Brown准则的岩体力学参数的估计

Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则相比,综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,可更好地反映岩体的非线性破坏特征,更符合工程实际,由该准则所估算的岩体力学参数可为最终确定岩体力学参数提供重要依据。基于引入的岩体体积节理数Jv和结构面条件因子JC量化的GSI(地质强度指标)围岩分级系统和Hoek-Brown强度准则来估计岩体力学参数,并结合具体的工程估算岩体的力学参数验证应用效果,其成果对工程设计和施工有重要指导意义。     

Hoek-Brown岩石破坏经验判据确定岩石地基承载力的修正

岩石地基承载力的精确确定,对工程的安全性和经济性非常重要。简要介绍了Hoek-Brown岩石经验破坏判据及其剪切强度形式,并通过确定岩基潜在破坏面上的正应力,计算出岩体自重和岩体瞬时内摩擦角。对基于Hoek-Brown岩石经验破坏判据的岩基承载力的极限解法进行修正,得出剪切破坏模式下含有岩体自重和瞬时内摩擦角的Hoek-Brown岩基承载力修正公式。最后,通过算例证明修正公式的完善性和实用性。     

含共面结构面岩体的岩桥贯通准则研究

块体理论是一种比较常用的岩土工程稳定性分析方法,但缺乏对非贯通结构面的研究,导致搜索出的关键块体不够精准和全面。如何处理非贯通结构面,判断其是否应该连通成为块体理论研究至关重要的一个问题。采用数值模拟的方法计算含两共面结构面岩体试样在不同岩桥倾角、结构面摩擦系数、围压和连通率情况下的贯通强度与峰值强度。引入贯通系数变量,定量描述贯通强度与峰值强度之间的关系。将贯通强度作为判断岩桥贯通与否的一个衡量指标,建立起贯通强度与岩桥倾角、结构面摩擦系数、围压和连通率之间的函数,即含两条共面结构面岩体的岩桥贯通准则。该准则可准确判断含两条共面结构面岩体的岩桥是否应该连通。基于岩桥贯通准则的块体理论能够准确搜索出因岩桥贯通而滑移的关键块体。     

贯穿裂隙岩体强度和破坏方式的模型研究

隧道等洞室开挖后,其周边通常会产生许多贯穿裂隙,直接影响到围岩稳定。研究贯穿裂隙岩体的强度及其破坏方式对于围岩加固等具有重要意义。基于库伦强度准则,通过建立数学模型,利用 - 坐标系下裂隙面和岩块的强度曲线位置关系研究了贯穿裂隙岩体强度和破坏方式。探讨了贯穿裂隙岩体强度与裂隙面的倾斜角、黏聚力和内摩擦角及岩块的黏聚力和内摩擦角间的关系,得到了贯穿裂隙岩体破坏方式的相关判据。数值算例表明该模型能够预测在任意最小主应力下贯穿裂隙岩体的强度和任意加卸荷路径下岩体破坏方式,与传统的利用 - 坐标系下裂隙面、岩块的强度曲线和摩尔应力圆的位置关系来判断岩体破坏方式的方法相比,该模型的方法更简便有效,结论更直观,能更好地为工程设计和岩体加固提供技术支撑。     

高地应力“强度 & 应力”耦合判据及其分级标准

众多地下工程建设始终处于高地应力环境中,岩体初始应力是地下工程围岩变形破坏的先天条件和主导因素。“高地应力”术语及概念出现和地下工程围岩特殊破坏现象紧密联系,属于工程概念范畴。随着地下工程数量越来越多并逐渐向深部发展,高地应力诱发的围岩破坏现象日益显著,严重影响工程稳定性。现有的高地应力定量分级判据多采用强度应力比值形式,没有充分考虑岩石强度、应力两个指标的绝对值大小和耦合关系。本文在讨论现有分级判据、收集实际工程案例数据以及分析高地应力破坏现象显现过程的基础上,提出了高地应力“强度& 应力”耦合判据及其定量分级标准。高地应力“强度& 应力”耦合判据的表现形式为3条考虑岩石饱和单轴抗压强度R_c以及和初始最大主应力σ₁耦合的边界线,边界线以内的区域为高地应力区、边界线以外的区域为低地应力区。该判据特点是既考虑初始最大主应力、岩石饱和单轴抗压强度的绝对值边界条件,同时也考虑两者耦合区间。研究结果表明:基于二维尺度提出的“强度& 应力”耦合判据,针对86个典型地下工程的高地应力判别结果和工程现场高地应力显现形式完全相符,可以在实际地下工程中推广应用。基于“强度& 应力”耦合判据的高地应力区分级标准能较好地判别围岩破坏现象的剧烈程度,可为工程灾害的预防提供参考。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

Hoek-Brown准则参数在边坡工程中的敏感性分析

Hoek-Brown屈服准则是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稳定性分析领域应用最广泛的准则之一。选取常见的3类岩石材料作为分析代表,通过有限差分法及敏感性分析方法研究了Hoek-Brown准则中各参数对岩质边坡安全系数的灵敏度。研究表明,地质强度指标GSI对岩质边坡稳定性影响最为显著,而反映岩石的软硬程度材料常数mi、岩体扰动系数D和岩石单轴抗压强度?ci影响显著性要小于地质强度指标。最后,对GSI对岩体的摩擦角? 和凝聚力c的影响规律进行了分析。结果表明,对于同一GSI,mi从小到大变化时,? 的变化幅度在减小,GSI值在55附近时,不同mi所对应的凝聚力趋于同一个值。     

估算异性岩石不连续面峰值剪切强度的经验公式

长江三峡库区广泛发育着两侧岩性不同的不连续面（称为异性不连续面）,研究其峰值剪切强度可为相关岩体的稳定性分析和评价提供理论依据。采用高强石膏浇注3组不同形貌且上、下壁面强度不同的不连续面试件,并在不同常法向应力下进行剪切试验。引入不连续面壁组合系数λ来综合量化不连续面壁的抗压强度和基本摩擦角对异性不连续面峰值剪切强度的影响,λ越小,上、下不连续面壁强度差异越大。异性不连续面的峰值剪切强度随λ的增加呈非线性增加,且在高法向应力下更为显著。在Barton公式的基础上,通过多元回归分析建立了估算异性不连续面峰值剪切强度的经验公式。采用天然和人工锯齿形异性不连续面的直剪试验结果对新公式做了进一步验证,试验剪切强度与新公式预测值吻合较好。简要分析了新公式在软硬互层岩质边坡稳定性评价中的应用。最后,讨论了Wu公式的适用性以及新公式的优点和不足。     

基于方向性粗糙度参数的节理峰值抗剪强度理论模型

节理裂隙控制着岩石工程的剪切滑移稳定性。现有的节理峰值抗剪强度模型多为经验模型,且较少考虑粗糙节理峰值抗剪强度的采样点距效应及各向异性。采用3D打印技术制备了5组吻合的粗糙光敏树脂节理模具,利用水泥砂浆复制了25组相同壁面强度的人工粗糙节理,开展了5种法向应力水平下节理直剪试验。基于改进的接触面积比-视倾角门槛值关系,建立了仅含一个方向性粗糙度参数的三维粗糙节理峰值抗剪强度理论模型。该理论模型除粗糙度参数外无需拟合其他参数。对比分析发现,新模型比文献中的经验模型预测精度更高。新模型预测效果受采样点距影响较小,且能有效地反映节理峰值抗剪强度的各向异性。     

基于PFC2D数值试验的异性结构面剪切强度特性研究

天然岩体中广泛发育两侧岩性不同的异性结构面,开展异性结构面变形和强度特性研究旨在为岩体稳定性评价和利用提供依据。选取三峡库区侏罗系典型的砂岩-泥岩异性岩层,首先运用分形几何理论,定量计算了平直和4种不同不规则起伏形态结构面的粗糙度系数JRC值,然后基于PFC2D颗粒流程序,分别开展了以上5种形态异性结构面的数值剪切试验,获得了各形态结构面在不同正应力下的剪切应力-位移曲线。根据数值试验结果,采用巴顿的JRC-JCS模型分析了异性结构面强度特性,并与同性结构面强度性质进行对比研究。最后,在考虑异性结构面剪切破坏机制的基础上,引入强度因子的概念,提出了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进巴顿准则。研究结果表明：异性岩体结构面抗剪强度介于相同粗糙度的两种同性结构面强度之间,在较低正应力下接近软岩同性结构面强度,符合Ⅰ型改进巴顿准则;在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度,符合Ⅱ型改进巴顿准则。实际工程中可利用改进准则并根据异性结构面应力状态对岩体稳定性进行评价,弥补了以往研究的不足。     

岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

为了研究破裂岩体结构面的注浆加固效果,并揭示其加固实质和作用机制,对单轴压缩试验形成的破裂岩样结构面粗糙度进行了测量与研究;通过破裂岩样结构面注浆加固的剪切试验,分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响;通过锯齿形模型化结构面注浆前后剪切试验,分析了锯齿形结构面的力学特性及注浆加固对模型化结构面的影响。研究结果表明,同种岩样压裂后结构面粗糙度系数JRC相近,其数值约为8～10,具有可复制性;注浆后结构面残余强度、剪切峰值强度及上升段斜率均有明显提高;注浆后岩体中结构面的刚度也得到了明显改善;通过理论分析,给出了结构面刚度的理论拟合公式;结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高,注浆加固后,结构面剪切峰值强度、黏聚力都有不同程度的增大,而内摩擦角变化不大     

Failure Characteristics of Complicated Random Jointed Rock Mass Under Compressive-Shear Loading

Most natural rock masses contain a large number of random joints and fissures, and most of the rock masses at the rock engineering are commonly in both compression and shear stress environment. However, the research on the failure characteristics of complex random jointed rock mass under compressive-shear loading is still limited. To address this gap, this paper uses the particle flow code 2D to establish a discrete fractured rock mass model and carry out a series of numerical tests with different compressive-shear angles (α) and different joint geometric parameters. The effects of compressive-shear angle and joint geometric parameters on the strength and failure characteristics of fractured rock masses are studied. The results indicate that with the increase of α, the peak strength of the specimen decreases gradually, and the failure mode changes from the composite shear failure mode (Mode-I) to a plane shear failure mode (Mode-II) and then to intact shear failure mode (Mode-III). Specifically, the three failure modes occur in the specimens with α?=?15°, 30° or 45°, 60°, respectively. The existence of joints affects stress distribution on rock mass during the loading process. Furthermore, the stress at the joint tip is relatively concentrated, while on both sides of the joint is smaller. Three kinds of crack coalescence patterns are observed: tensile, shear, and tensile-shear mixed coalescence. The inclination angle of the rock bridge between adjacent joints affects the specific type of coalescence.

     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段：标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明：模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。