基于HoekBrown准则的岩体力学参数计算

ISSN167l一2900

采矿技术第9卷第4期

2009年7月

CN43一1347/TD

MiningTechnology,V01.9,No.4

July2009

基于Hoek—Brown准则的岩体力学参数计算

于加云1,漆泰岳2

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津300122;2.西南交通大学土木工程学院,

四川成都610031)

摘要:在确定岩体地质强度指标(GSI)的基础上,通过将Hoek—Brown准则与Mohr—Coulomb准则相互变换的方法来求得节理岩体的力学参数,通过算例说明了这种方法的具体计算过程,并分析了岩体强度参数C,妒值与围压的关系,得出了一些结论j关键词:地质强度指标;Hoek—Brown准则;Mohr—Coulomb准则;节理岩体;力学参数

前言

H0ek—Brown准则I}I于考虑r7÷体的节理条件及低应力Ⅸ和{征成/JIX的燃度特性.比较符合工程在地下工程的修建及很多相关的岩土工程中,实际。一些研究发现,Hoek—Brown准则在低压应常常遇到含有大量节理的岩体,为了确保施工、运营力区和拉应力Ix.的强度特性比Mohr—Coulomb准则中的安全性,就需要确定这种岩体的力学参数以供更接近于岩体实际L2。冈此,软弱破碎【钮岩中,在设计参考。岩体抗剪强度参数C,妒值反映了岩体较低的围雎(支护强度)作用下,采崩Mohr—Cou-抗剪断能力的大小,与岩体自身的性质有关,也与影lomb准则判断岩体足否埘服破坏时,按照Hoek—响岩体性质的环境条件,如应力状态有关。由于在Brown准则获取岩体力学参数,将会使数值分析结岩体工程中多将莫尔破坏圆的包络线近似看作直果比较接近实际。本文基于Hoek—Brown准则的线,所以C、妒值不随应力状态而改变,在确定的工GSI指标和完整岩石的强度特征来分析并计算Mohr程地质单元内看作为常量。但是由实验资料可知,—Coulomb准则所需的岩体等效力学参数。

当围压较大时,莫尔圆包络线向下弯曲,不能近似为1

岩体力学常用屈服准则

直线,C、妒值可以看作为包络曲线某点切线在纵轴的截距和斜率,它们在不同的法向应力条件下各不1.1

Mohr—Coulomb屈服准贝Ⅱ

相同,即C、9值随着应力状态的变化而发生改以最大主应力和最小主应力表示的Mohr—

变…。Hoek—Brown准则与Mohr—Coulomb准则对Coulomb屈服准则为:

应的曲线关系如图l所示。

”篇1+篙1盯,

盯l‘

2=_—_■一十:_—__一盯1

L‘‘

l,

一SIn妒一Sln∞。

(1)

1.2

Hoek—Brown屈服准贝U

Hoek和Brown于1980年根据岩石形态方面的

理论和实践经验,通过对几百组岩石三轴实验和大量岩体现场测试资料的统计分析,得到了岩体在破坏时极限主应力之间的关系式:

盯l=矿3+√,w,盯3+s盯:

(2)

式中:盯。——岩体破坏时的最大主应力;

盯,——作用在岩体上的最小主应力;矿。——岩石单轴抗压强度;

m、s——参数,取决于岩体性质以及达到矿.

图1

Hoek—brown准则与Mohr—coulomb

和盯,之前岩体破坏程度,m=准则相对应的图形关系

0.00l一25,对严重扰动的岩体取

万方数据

于加云,等:基于Hoek—Brown准则的岩体力学参数计算0.001,对于坚硬完整岩体取25,s=

0一l,对破碎岩体取0,完整岩体取1。

在工程实践中可查表直接估算m和s。

Hoek—Brown屈服准则由于考虑了岩体的节理

条件及低应力区和拉应力区的强度特性,比较符合

工程实际。因此,它已成为工程界广泛应用的强度准测。

近年来,Hoek—Brown对该准则进行了推广,考虑岩体的地质环境,提出了地质强度指标GSI(geo.

109icalstrength

index),该指标与岩体的结构特性、表

面风化程度及表面粗糙性有关,推广后的Hoek—Brown屈服准则‘3・41为:

”¨O"c(孑州s)4

(3)叩miexp(爨器(4)…xp(譬磐)

(5)口=o.5+去(e删15一e删)

(6)

E=(1一詈)√孟10((CSI-10)阚)GPa(7)

式中:E——岩体弹性模量;

盯.——岩体破坏时的最大主应力5盯,——岩体破坏时的最小主应力5

or。——组成岩体完整岩块的单轴抗压强度5m6,mi,s,o——岩体的Hoek—Brown常量;D——岩体遭受开挖扰动(爆破破坏和应力松弛)程度的参数…】,0≤D≤l。1.3岩体的粘聚力c、摩擦角妒

由已确定出的岩体所遵循的Hoek—Brown方

程估计岩体力学参数时:将式(3)采用回归分析

法心1近似的拟和为与Mohr—Coulomb屈服准则相似的公式:

orl=k0.3+b

(8)

由式(2)与式(8)相对比可得:

{6:运

fk:等

@’

1一slnIio

根据式(9)可反求得到岩体的C、9值。

2算例及参数分析

2.1岩体的力学参数计算

万方数据

45

以河南省陈四楼煤矿巷道支护工程为背景,根

据现场地质勘查,围岩属于软弱破碎类型,岩石单轴

抗压强度为25MPa,围岩立方体积节理数为25,表面风华严重,表面条件较差,通过查表可知该类岩石

的地质强度指标为GSI=30,常数耽为10,取D

为0。

由式(4)、(5)、(6)得:

m6=O.821;s=0.00042;口=0.5

由式(3)得:

orl=or3+ ̄/20.52050-3+0.2625(10)

根据Hoek—Brown建议,0-3一的取值为矿。/4;

对于地下开挖工程,由于开挖面的围压很小,开挖面建议取矿3一=O一5MPaHl。在盯3。,的取值范围内,

取8组等间距分布的盯,值进行回归计算。

式(8)中的k,b回归计算公式为:

∑一矿一∑

!正

6:兰!!二茎兰!!

等一

筹~nn

盯,。=5的回归分析结果见表1。

表1回归计算

or3

orIorl0"3

0.512

0.714

4.576O.5101.428

6.8652.0392.142

8.792

4.5882.856lO.529

8.157

3.570

12.144

12.745

4.284

13.674

18.353

堕。2,:6,。i|:

515.14225.000

19.994

72.235

。狮科啦啪i萎册川删

71.39l

将表1中数据代入式(11)得:k=2.758.b=2.136。

将k,b的计算结果代人式(9)计算得:9=

27.9。,C=0.64

MPa。并由式(7)得岩体的弹性模

量为E=2.5

GPa。

2.2

C、妒值与最小主应力的关系

在Hoek—Brown常量不变的情况下,对于不同

的or,。。,取值,将得到不同的C、妒值。本文仍以上节

计算中的Hoek—Brown常量为基准,分析c、妒值与

最小主应力矿,一之间的关系,其关系图如图(2)和

(下转第70页)

70

采矿技术

[2]侯斌,姜立春,郭茑吁.孝义铝矿土地复垦良性发展研究

结语

[J].矿业研究与开发,2004,(3):63—65.

[3]王文彬,王金梅.孝义铝矿土地复垦的实践[J].矿业研究与

开发.2004.(2):66—68.

[4]王文彬,王金梅.剥离一采矿一复垦一体化新工艺在孝义铝矿

的应用[J].中国矿业,2004,(2):56—57,8I.

保证矿山可持续发展,担起国企社会责任,要求矿山做好安全环保和土地复垦工作。遵照国家“谁破坏,谁复垦”的土地使用政策,中铝公司下属矿山坚定不移地实施生态系统战略,在矿山建设和生产过程中始终将复垦作为一项重要工作来做,对采空区全部进行工程复垦和生物复垦,使矿山资源的开发与生态保护并重,自觉承担起保护资源、保护生态环境的社会责任,取得了用现代化手段实施科学开采、提高资源利用率和保护生态环境的多重效益。

参考文献:

[1]孙顺利,周科平.矿区生态环境恢复分析[J].矿业研究与开

发.2007.(5):78—81.

[5]罗秀光.缩短平果铝土矿采矿用地周期的探讨[J].矿业研究

与开发,2001,(1):49—50.

[6]吴安福.关于矿山土地复垦风个问题的探讨[J].矿业研究与

开发,2006,(S3):67—69.

[7]王文彬.铝矿山土地复垦探讨[J].采矿技术,2004,(3):44—

45.

作者简介:张建毅(1966一),男,山西省孝义人,采矿工程师,长期从事采矿技术和管理。

(上接第45页)图(3)所示。

1.41.2

准则变换得到,此方法较简便、实用。

(2)在岩土工程计算中,采用直线型Mohr—Coulomb准则判断岩体是否破坏时,在不同的围岩应力水平下,应选取不同的岩体力学参数粘聚力C和摩擦角p,才能较真实地反映岩体的屈服破坏情况。

(3)根据本文的方法计算所得的岩体粘聚力C随着最小主应力的增大而增大,摩擦角妒随着最小主应力的增大而减小,可见最小主应力对岩体参数最终计算结果有着很大的影响,因此,在实际应用中要注意最小主应力的取值,才能得到合理的结果。

参考文献:

[1]漆泰岳.锚杆与围岩相互作用的数值模拟[M].徐州:中国矿

业大学出版社,2002.

譬0.8

姜0.6

篓n4

0.20

图2最小主应力与粘结力的关系

[2]严春风。宋建波.根据直剪试验进行岩体经验强度准则的反分

^0援鞲囊

惦∞脑舯巧∞垢m

5O

析[J].昆明理工大学学报,1999,24(4):166—170.

[3]韩凤山.大体积节理化岩体强度与力学参数[J].岩石力学与

工程学报,2004.23(5):777—780.[4]CaiM.Estimationof

reckⅢdeformation

theGSI

图3最小主应力与厚擦角的关系

of

jointedhardrock

m蝴using

modulusandstrength

system[J】.International

JournalofRock

Mechanics&MiningSciences.2004,41:3一19.

从图(2)和图(3)中可以看出,通过这种方法计算所得到的岩体粘聚力C随着最小主应力的增大而呈增大趋势,摩擦角妒随着最小主应力的增大而呈减小趋势。

[5]巫德斌.基于Hock—Brown准则的边坡开挖岩体力学参数研

究[J].河海大学学报,2005,23(I):89—93.

[6]于加云.模筑钢筋混凝土支护与软岩相互作用机理研究[D].

成都:西南交通大学,2007.

结论

(收稿日期:2009—02一05)

作者简介:于加云(1981一),男,江苏淮安人,助理工程师,

(1)节理岩体的力学参数,如粘聚力C和摩擦角9可以通过Hoek—Brown准则与Mohr—Coulomb

硕士研究生,主要从事软岩地下工程支护、地铁设计研究工作。Email:yujiayun531@163.tom。

万方数据

ISSN167l一2900

采矿技术第9卷第4期

2009年7月

CN43一1347/TD

MiningTechnology,V01.9,No.4

July2009

基于Hoek—Brown准则的岩体力学参数计算

于加云1,漆泰岳2

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津300122;2.西南交通大学土木工程学院,

四川成都610031)

摘要:在确定岩体地质强度指标(GSI)的基础上,通过将Hoek—Brown准则与Mohr—Coulomb准则相互变换的方法来求得节理岩体的力学参数,通过算例说明了这种方法的具体计算过程,并分析了岩体强度参数C,妒值与围压的关系,得出了一些结论j关键词:地质强度指标;Hoek—Brown准则;Mohr—Coulomb准则;节理岩体;力学参数

前言

H0ek—Brown准则I}I于考虑r7÷体的节理条件及低应力Ⅸ和{征成/JIX的燃度特性.比较符合工程在地下工程的修建及很多相关的岩土工程中,实际。一些研究发现,Hoek—Brown准则在低压应常常遇到含有大量节理的岩体,为了确保施工、运营力区和拉应力Ix.的强度特性比Mohr—Coulomb准则中的安全性,就需要确定这种岩体的力学参数以供更接近于岩体实际L2。冈此,软弱破碎【钮岩中,在设计参考。岩体抗剪强度参数C,妒值反映了岩体较低的围雎(支护强度)作用下,采崩Mohr—Cou-抗剪断能力的大小,与岩体自身的性质有关,也与影lomb准则判断岩体足否埘服破坏时,按照Hoek—响岩体性质的环境条件,如应力状态有关。由于在Brown准则获取岩体力学参数,将会使数值分析结岩体工程中多将莫尔破坏圆的包络线近似看作直果比较接近实际。本文基于Hoek—Brown准则的线,所以C、妒值不随应力状态而改变,在确定的工GSI指标和完整岩石的强度特征来分析并计算Mohr程地质单元内看作为常量。但是由实验资料可知,—Coulomb准则所需的岩体等效力学参数。

当围压较大时,莫尔圆包络线向下弯曲,不能近似为1

岩体力学常用屈服准则

直线,C、妒值可以看作为包络曲线某点切线在纵轴的截距和斜率,它们在不同的法向应力条件下各不1.1

Mohr—Coulomb屈服准贝Ⅱ

相同,即C、9值随着应力状态的变化而发生改以最大主应力和最小主应力表示的Mohr—

变…。Hoek—Brown准则与Mohr—Coulomb准则对Coulomb屈服准则为:

应的曲线关系如图l所示。

”篇1+篙1盯,

盯l‘

2=_—_■一十:_—__一盯1

L‘‘

l,

一SIn妒一Sln∞。

(1)

1.2

Hoek—Brown屈服准贝U

Hoek和Brown于1980年根据岩石形态方面的

理论和实践经验,通过对几百组岩石三轴实验和大量岩体现场测试资料的统计分析,得到了岩体在破坏时极限主应力之间的关系式:

盯l=矿3+√,w,盯3+s盯:

(2)

式中:盯。——岩体破坏时的最大主应力;

盯,——作用在岩体上的最小主应力;矿。——岩石单轴抗压强度;

m、s——参数,取决于岩体性质以及达到矿.

图1

Hoek—brown准则与Mohr—coulomb

和盯,之前岩体破坏程度,m=准则相对应的图形关系

0.00l一25,对严重扰动的岩体取

万方数据

于加云,等:基于Hoek—Brown准则的岩体力学参数计算0.001,对于坚硬完整岩体取25,s=

0一l,对破碎岩体取0,完整岩体取1。

在工程实践中可查表直接估算m和s。

Hoek—Brown屈服准则由于考虑了岩体的节理

条件及低应力区和拉应力区的强度特性,比较符合

工程实际。因此,它已成为工程界广泛应用的强度准测。

近年来,Hoek—Brown对该准则进行了推广,考虑岩体的地质环境,提出了地质强度指标GSI(geo.

109icalstrength

index),该指标与岩体的结构特性、表

面风化程度及表面粗糙性有关,推广后的Hoek—Brown屈服准则‘3・41为:

”¨O"c(孑州s)4

(3)叩miexp(爨器(4)…xp(譬磐)

(5)口=o.5+去(e删15一e删)

(6)

E=(1一詈)√孟10((CSI-10)阚)GPa(7)

式中:E——岩体弹性模量;

盯.——岩体破坏时的最大主应力5盯,——岩体破坏时的最小主应力5

or。——组成岩体完整岩块的单轴抗压强度5m6,mi,s,o——岩体的Hoek—Brown常量;D——岩体遭受开挖扰动(爆破破坏和应力松弛)程度的参数…】,0≤D≤l。1.3岩体的粘聚力c、摩擦角妒

由已确定出的岩体所遵循的Hoek—Brown方

程估计岩体力学参数时:将式(3)采用回归分析

法心1近似的拟和为与Mohr—Coulomb屈服准则相似的公式:

orl=k0.3+b

(8)

由式(2)与式(8)相对比可得:

{6:运

fk:等

@’

1一slnIio

根据式(9)可反求得到岩体的C、9值。

2算例及参数分析

2.1岩体的力学参数计算

万方数据

45

以河南省陈四楼煤矿巷道支护工程为背景,根

据现场地质勘查,围岩属于软弱破碎类型,岩石单轴

抗压强度为25MPa,围岩立方体积节理数为25,表面风华严重,表面条件较差,通过查表可知该类岩石

的地质强度指标为GSI=30,常数耽为10,取D

为0。

由式(4)、(5)、(6)得:

m6=O.821;s=0.00042;口=0.5

由式(3)得:

orl=or3+ ̄/20.52050-3+0.2625(10)

根据Hoek—Brown建议,0-3一的取值为矿。/4;

对于地下开挖工程,由于开挖面的围压很小,开挖面建议取矿3一=O一5MPaHl。在盯3。,的取值范围内,

取8组等间距分布的盯,值进行回归计算。

式(8)中的k,b回归计算公式为:

∑一矿一∑

!正

6:兰!!二茎兰!!

等一

筹~nn

盯,。=5的回归分析结果见表1。

表1回归计算

or3

orIorl0"3

0.512

0.714

4.576O.5101.428

6.8652.0392.142

8.792

4.5882.856lO.529

8.157

3.570

12.144

12.745

4.284

13.674

18.353

堕。2,:6,。i|:

515.14225.000

19.994

72.235

。狮科啦啪i萎册川删

71.39l

将表1中数据代入式(11)得:k=2.758.b=2.136。

将k,b的计算结果代人式(9)计算得:9=

27.9。,C=0.64

MPa。并由式(7)得岩体的弹性模

量为E=2.5

GPa。

2.2

C、妒值与最小主应力的关系

在Hoek—Brown常量不变的情况下,对于不同

的or,。。,取值,将得到不同的C、妒值。本文仍以上节

计算中的Hoek—Brown常量为基准,分析c、妒值与

最小主应力矿,一之间的关系,其关系图如图(2)和

(下转第70页)

70

采矿技术

[2]侯斌,姜立春,郭茑吁.孝义铝矿土地复垦良性发展研究

结语

[J].矿业研究与开发,2004,(3):63—65.

[3]王文彬,王金梅.孝义铝矿土地复垦的实践[J].矿业研究与

开发.2004.(2):66—68.

[4]王文彬,王金梅.剥离一采矿一复垦一体化新工艺在孝义铝矿

的应用[J].中国矿业,2004,(2):56—57,8I.

保证矿山可持续发展,担起国企社会责任,要求矿山做好安全环保和土地复垦工作。遵照国家“谁破坏,谁复垦”的土地使用政策,中铝公司下属矿山坚定不移地实施生态系统战略,在矿山建设和生产过程中始终将复垦作为一项重要工作来做,对采空区全部进行工程复垦和生物复垦,使矿山资源的开发与生态保护并重,自觉承担起保护资源、保护生态环境的社会责任,取得了用现代化手段实施科学开采、提高资源利用率和保护生态环境的多重效益。

参考文献:

[1]孙顺利,周科平.矿区生态环境恢复分析[J].矿业研究与开

发.2007.(5):78—81.

[5]罗秀光.缩短平果铝土矿采矿用地周期的探讨[J].矿业研究

与开发,2001,(1):49—50.

[6]吴安福.关于矿山土地复垦风个问题的探讨[J].矿业研究与

开发,2006,(S3):67—69.

[7]王文彬.铝矿山土地复垦探讨[J].采矿技术,2004,(3):44—

45.

作者简介:张建毅(1966一),男,山西省孝义人,采矿工程师,长期从事采矿技术和管理。

(上接第45页)图(3)所示。

1.41.2

准则变换得到,此方法较简便、实用。

(2)在岩土工程计算中,采用直线型Mohr—Coulomb准则判断岩体是否破坏时,在不同的围岩应力水平下,应选取不同的岩体力学参数粘聚力C和摩擦角p,才能较真实地反映岩体的屈服破坏情况。

(3)根据本文的方法计算所得的岩体粘聚力C随着最小主应力的增大而增大,摩擦角妒随着最小主应力的增大而减小,可见最小主应力对岩体参数最终计算结果有着很大的影响,因此,在实际应用中要注意最小主应力的取值,才能得到合理的结果。

参考文献:

[1]漆泰岳.锚杆与围岩相互作用的数值模拟[M].徐州:中国矿

业大学出版社,2002.

譬0.8

姜0.6

篓n4

0.20

图2最小主应力与粘结力的关系

[2]严春风。宋建波.根据直剪试验进行岩体经验强度准则的反分

^0援鞲囊

惦∞脑舯巧∞垢m

5O

析[J].昆明理工大学学报,1999,24(4):166—170.

[3]韩凤山.大体积节理化岩体强度与力学参数[J].岩石力学与

工程学报,2004.23(5):777—780.[4]CaiM.Estimationof

reckⅢdeformation

theGSI

图3最小主应力与厚擦角的关系

of

jointedhardrock

m蝴using

modulusandstrength

system[J】.International

JournalofRock

Mechanics&MiningSciences.2004,41:3一19.

从图(2)和图(3)中可以看出,通过这种方法计算所得到的岩体粘聚力C随着最小主应力的增大而呈增大趋势,摩擦角妒随着最小主应力的增大而呈减小趋势。

[5]巫德斌.基于Hock—Brown准则的边坡开挖岩体力学参数研

究[J].河海大学学报,2005,23(I):89—93.

[6]于加云.模筑钢筋混凝土支护与软岩相互作用机理研究[D].

成都:西南交通大学,2007.

结论

(收稿日期:2009—02一05)

作者简介:于加云(1981一),男,江苏淮安人,助理工程师,

(1)节理岩体的力学参数,如粘聚力C和摩擦角9可以通过Hoek—Brown准则与Mohr—Coulomb

硕士研究生,主要从事软岩地下工程支护、地铁设计研究工作。Email:yujiayun531@163.tom。

万方数据


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