基于广义Hoek—Brown准则的节理岩体力学参数折剪计算
2014-11-26程三建张平发刘欣刘浩张亮
程三建+张平发+刘欣+刘浩+张亮
摘 要：节理化岩体力学参数是矿山工程地质和稳定性分析的重要基础数据，一般在实验室通过单轴、三轴试验只能得到岩石的力学参数，无法得到岩体的力学参数。目前，利用岩石力学参数确定岩体力学参数的方法较多，但都过于烦琐或准确度不高，急需一种新的简易确定方法。因此，通过利用基于广义Hoek-Brown准则的地质强度指标（GSI法），并结合相应的岩土分析软件，强度折剪岩石力学参数值，从而得到岩体的力学参数。通过将该方法应用于赤峰中色白音诺尔矿业有限公司岩体力学参数的计算中，证明采用该方法考虑岩体的结构面和完整性，可较为准确地反映节理化岩体的力学特性，且方便可行，具有工程实用价值。
关键词：矿山工程；广义Hoek-Brown准则；GSI法；岩体力学参数
中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）20-0102-03
Hoek-Brown强度准则是Hoek等人根据岩石特性的理论和实践经验总结提出的岩石和岩体破坏时的判据。由于其考虑了岩体的结构、岩石强度和所受应力状态等综合因素，目前，该准则已在岩土工程领域中得到了广泛应用。
节理化岩体力学参数是矿山工程地质和稳定性分析的重要基础数据，是影响矿山设计、施工的重要因素和指标。由于节理化岩体含有节理裂隙，导致试件不合理或试件尺寸不符，因此，很难确定节理化岩体的力学参数。然而，广义Hoek-Brown准则提出了一种确定节理化岩体力学参数的新方法——地质强度指标GSI法（Geological Strength Index），这是一条简单而经济的新途径。GSI值的确定也为岩体稳定性强度折减提供了数据来源。
岩体的抗剪强度等力学参数也可以利用Hoek-Brown破坏准则计算，但都较为烦琐。本文基于广义Hoek-Brown强度准则，采用GSI法，更加方便、快捷地将岩石的内聚力c值、内摩擦角φ值转化为岩体的c值、φ值，使其更方便于工程应用。
1 广义Hoek-Brown准则
Hoek-Brown破坏准则最初适用于估算完整、坚硬的岩体的力学参数，是半经验强度准则。2002年，Hoek等人针对最初的强度准则在实际工程应用中出现的问题，综合考虑了岩体结构、岩石强度和应力状态等因素的影响，并进行了修正，得出了岩体破坏的经验准则，称之为“广义Hoek-Brown准则”，并给出了各类岩体经验参数值。其表达式为：
2 地质强度指标
地质强度指标（GSI）是Hoek等人在1994年提出的一种新的岩体分级系统，GSI系统是专门用于解释不连续面或节理的岩体性质而开发的一种方法，这些岩体性质影响着岩体的强度和变形。国外岩土工程界广泛运用该方法估算隧道、地下硐室和边坡岩体的强度等参数和稳定性。
研究表明，节理岩体强度取决于完整岩块的性质和施加一系列应力条件下这些岩块表面上的滑移和旋转的自由度。这种自由度不仅取决于完整岩块的形状，也取决于表面分离自由度的情况。GSI系统试图解释岩体的这2种特征。岩体的块度、级别、连锁反应和不连续表面的条件共同描述了岩体的结构。岩体的GSI值根据岩体结构特征和结构面表面条件估算。参考表1并结合一些经验，就可以得到岩体的GSI值。
3 工程应用
3.1 工程背景
赤峰中色白音诺尔矿业有限公司二矿区的围岩主要有闪长玢岩、结晶灰岩、闪长岩和石英斑岩等，矿山经过30多年的开采，遗留下大量的采空区，准确获取矿山围岩的岩体力学参数和提供基础数据，对矿山采空区稳定性分析等有重要的现实意义。
3.2 现场工程地质调查
分别对赤峰中色白音诺尔矿业有限公司二矿区950 m中段和900 m中段进行了调查评估，共计描述和测量了100余条节理裂隙特征，详细记录了调查面的风化、粗糙程度，并参照表1评估了GSI值，评估结果如表2所示。
4 结论
利用工程地质调查和室内三轴试验可以得到节理岩体力学参数计算所需的基础数据，简单易行；利用广义Hoek-Brown强度准则，综合考虑了影响岩体力学性质的结构面和结构体的性质，可以比较精确地确定节理化岩体的力学参数。基于此方法，可以方便、快捷地将岩石的c值、φ值转化为岩体的c值、φ值。
参考文献
[1]Hoek E，Brown ET.Underground excavations in rock[M]. London：Institution of Mining and Metallurgy，1980.
[2]Hoek E，Brown ET.The Hoek-Brown failure criterion-a 1988 update[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts，1990，27（03）：138.
[3]Hoek E，Wood D，Shah S.A modified Hoek-Brown criterion for jointed rock masses[G]//Proc.Rock Characterization，Symp.Int.Soc.Rock.Mech.，Eurock 92.London：Brit Geotech. Soc.，1992：209-214.
[4]Hoek E.Strength of rock and rock masses[J].ISRM News Journal，1994，2（02）：4-16.
[5]Hoek E，Brown E T.Strenth of jointed rock masses[J]. Geotechnique，1983，33（03）：187-223.
[6]朱志明，章广成，朱娇燕，等.基于广义Hoek-Brown准则的岩体等效强度[J].煤田地质与勘探，2012，40（04）：52-55.
[7]韩现民，李 晓，王红霞.基于GSI的节理岩体力学参数评价[J].矿业研究与开发，2010，30（01）：19-21.
[8]Hoek E，Carranza-Torres C，Corkum B. Hoek-Brown failure criterion[G]//Proceedings of NARMS-TAC Conference. Toronto：University of Toronto Press，2002：267-273.
[9]李远耀，殷坤龙，代云霞.基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的岩坡稳定性分析[J].岩土力学，2008（S1）：347-352.
[10]韩凤山.节理化岩体强度与力学参数估计的地质强度指标GSI法[J].大连大学学报，2007，28（06）：48-51.
[11]汪亦显，曹平.坚硬节理岩体力学参数的确定方法[J].矿业研究与开发，2006，26（S2）：13-15.
[12]林杭，曹平，李江腾，等.基于广义Hoek-Brown准则的边坡安全系数间接解法[J].煤炭学报，2008，33（10）：1147-1151.
[13]匡波，付宏渊，付传飞，等.基于广义Hoek-Brown准则的节理岩质边坡可靠性分析[J].中外公路，2009，29（06）：58-61.
[14]吴顺川，金爱兵，高永涛.基干广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析[J].岩土工程学报，2006，28（11）：1975-1980.
[15]胡盛明，胡修文.基于量化的GSI系统和Hoek-Brown准则的岩体力学参数的估计[J].岩土力学，2011，32（03）：861-866.
[16]苏永华，封立志，李志勇，等.Hoek-Brown准则中确定地质强度指标因素的量化[J].岩石力学与工程学报，2009，28（04）：679-686.
[17]李彦恒，冯 利，罗立平.基于Hoek-Brown准则的岩体分级法在地下工程中的应用[J].岩土力学，2012，33（S2）：201-204.
[18]宋琨，晏鄂川，毛伟，等.广义Hoek-Brown准则中强度折减系数的确定[J].岩石力学与工程学报，2012，31（01）：106-112.
————————
作者简介：程三建（1990—），男，硕士研究生，现从事岩石力学与工程方面的研究。
〔编辑：张思楠〕
[6]朱志明，章广成，朱娇燕，等.基于广义Hoek-Brown准则的岩体等效强度[J].煤田地质与勘探，2012，40（04）：52-55.
[7]韩现民，李 晓，王红霞.基于GSI的节理岩体力学参数评价[J].矿业研究与开发，2010，30（01）：19-21.
[8]Hoek E，Carranza-Torres C，Corkum B. Hoek-Brown failure criterion[G]//Proceedings of NARMS-TAC Conference. Toronto：University of Toronto Press，2002：267-273.
[9]李远耀，殷坤龙，代云霞.基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的岩坡稳定性分析[J].岩土力学，2008（S1）：347-352.
[10]韩凤山.节理化岩体强度与力学参数估计的地质强度指标GSI法[J].大连大学学报，2007，28（06）：48-51.
[11]汪亦显，曹平.坚硬节理岩体力学参数的确定方法[J].矿业研究与开发，2006，26（S2）：13-15.
[12]林杭，曹平，李江腾，等.基于广义Hoek-Brown准则的边坡安全系数间接解法[J].煤炭学报，2008，33（10）：1147-1151.
[13]匡波，付宏渊，付传飞，等.基于广义Hoek-Brown准则的节理岩质边坡可靠性分析[J].中外公路，2009，29（06）：58-61.
[14]吴顺川，金爱兵，高永涛.基干广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析[J].岩土工程学报，2006，28（11）：1975-1980.
[15]胡盛明，胡修文.基于量化的GSI系统和Hoek-Brown准则的岩体力学参数的估计[J].岩土力学，2011，32（03）：861-866.
[16]苏永华，封立志，李志勇，等.Hoek-Brown准则中确定地质强度指标因素的量化[J].岩石力学与工程学报，2009，28（04）：679-686.
[17]李彦恒，冯 利，罗立平.基于Hoek-Brown准则的岩体分级法在地下工程中的应用[J].岩土力学，2012，33（S2）：201-204.
[18]宋琨，晏鄂川，毛伟，等.广义Hoek-Brown准则中强度折减系数的确定[J].岩石力学与工程学报，2012，31（01）：106-112.
————————
作者简介：程三建（1990—），男，硕士研究生，现从事岩石力学与工程方面的研究。
〔编辑：张思楠〕
[6]朱志明，章广成，朱娇燕，等.基于广义Hoek-Brown准则的岩体等效强度[J].煤田地质与勘探，2012，40（04）：52-55.
[7]韩现民，李 晓，王红霞.基于GSI的节理岩体力学参数评价[J].矿业研究与开发，2010，30（01）：19-21.
[8]Hoek E，Carranza-Torres C，Corkum B. Hoek-Brown failure criterion[G]//Proceedings of NARMS-TAC Conference. Toronto：University of Toronto Press，2002：267-273.
[9]李远耀，殷坤龙，代云霞.基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的岩坡稳定性分析[J].岩土力学，2008（S1）：347-352.
[10]韩凤山.节理化岩体强度与力学参数估计的地质强度指标GSI法[J].大连大学学报，2007，28（06）：48-51.
[11]汪亦显，曹平.坚硬节理岩体力学参数的确定方法[J].矿业研究与开发，2006，26（S2）：13-15.
[12]林杭，曹平，李江腾，等.基于广义Hoek-Brown准则的边坡安全系数间接解法[J].煤炭学报，2008，33（10）：1147-1151.
[13]匡波，付宏渊，付传飞，等.基于广义Hoek-Brown准则的节理岩质边坡可靠性分析[J].中外公路，2009，29（06）：58-61.
[14]吴顺川，金爱兵，高永涛.基干广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析[J].岩土工程学报，2006，28（11）：1975-1980.
[15]胡盛明，胡修文.基于量化的GSI系统和Hoek-Brown准则的岩体力学参数的估计[J].岩土力学，2011，32（03）：861-866.
[16]苏永华，封立志，李志勇，等.Hoek-Brown准则中确定地质强度指标因素的量化[J].岩石力学与工程学报，2009，28（04）：679-686.
[17]李彦恒，冯 利，罗立平.基于Hoek-Brown准则的岩体分级法在地下工程中的应用[J].岩土力学，2012，33（S2）：201-204.
[18]宋琨，晏鄂川，毛伟，等.广义Hoek-Brown准则中强度折减系数的确定[J].岩石力学与工程学报，2012，31（01）：106-112.
————————
作者简介：程三建（1990—），男，硕士研究生，现从事岩石力学与工程方面的研究。
〔编辑：张思楠〕
