考虑循环爆破效应的Hoek-Brown弹塑性损伤模型及其工程应用

针对钻爆法开挖隧道围岩损伤区数值计算方法的不足,建立考虑循环爆破效应的Hoek-Brown(以下称H-B)弹塑性损伤模型并给出数值解法。首先,根据疲劳损伤理论推导了中远场循环爆破累积损伤演化公式,将爆破损伤与应力重分布造成的塑性损伤进行耦合,建立基于广义H-B准则的岩石弹塑性损伤模型;其次,利用完全隐式的应力回映算法和算子分离法给出上述损伤模型的数值解法;最后,将该模型应用于大连地铁工程的围岩稳定性分析当中,通过现场声波测试验证了循环爆破累积损伤演化公式,并对研究断面的位移值和损伤区分布特性进行计算。结果表明:循环爆破累积损伤演化公式能够较好的表达循环爆破作用下岩体损伤的演化规律,同时所建弹塑性损伤模型可以反映不同爆破次数下围岩损伤区的分布特性,比传统方法更具有优势,对工程安全设计具有较好的指导作用。     

基于Hoek-Brown准则的山岭隧道围岩力学参数估计

将围岩岩体分级系统(Q系统)引入到Hoek-Brown强度准则中,引入节理粗糙度、节理充填物的抗剪强度及岩石所受应力3个指标,对地质强度指标(GSI)进行定量化修正,并基于围岩基本质量指标BQ、裂隙组数、围岩节理条件以及Q系统评分值,重新构建一种GSI的定量化分析方法,通过测量扰动前后围岩的纵波波速优化岩体的扰动参数D。基于修正后的Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则进行等效转化,估算岩体的力学参数,通过与实例工程中试验结果进行对比,得知此方法是合理、可行的。     

基于Hoek-Brown准则的开挖扰动引起围岩变形特性研究

 Hoek-Brown经验准则(2002版)考虑施工扰动对岩体参数劣化效应,并提出扰动系数D,但仅为粗略定性化描述。现应用声波测试法获得的岩体波速降l对扰动系数D进行优化处理,并将优化后的Hoek-Brown经验准则运用于开挖扰动引起岩体弹塑性变形特征方程的求解研究,进而可实现较精确表示围岩塑性圈半径。为验证该理论的合理性,综合运用声波测试法、位移监测法等监测手段及有限元数值模拟法予以对比分析。此外,考虑开挖扰动变形特征场地效应,提出可拟合不同岩性、不同开挖方式的变形与开挖扰动经验公式。工程实例计算结果表明：对Hoek-Brown经验准则(2002版)扰动系数D的优化合理,用其可计算开挖扰动引起的围岩弹塑性变形特征值。并可准确求得塑性圈半径值,同时,拟合得到变形与开挖扰动经验公式可满足不同工程需要,具有一定合理性。所获结果可为Hoek-Brown经验准则(2002版)及地下洞室开挖扰动引起岩体变形特性研究提供一定方法参考。     

对Hoek-Brown公式的改进及其工程应用

阐述了岩体力学参数研究的工程意义，介绍了国内外常用的几种岩体力学参数的确定方法，指出了Hoek-Brown强度准则和有关改进公式中存在的不足，建立了可以考虑岩体受扰动程度的修正系数Km,Ks，给出了Hoek-Brown强度准则的改进公式。修正系数Km,Ks由完整性系数Kv来表征，既能反映岩体受扰动程度，又方便获取，克服了Hoek-Brown公式和前人改进公式的不足。提出的改进公式，能够更好地确定介于扰动和未扰动之间的岩体力学参数。以厂坝铅锌矿岩体力学参数研究为例，分别用提出的改进公式和其他几种方法进行计算，结果表明，所提出的改进公式在确定介于扰动和未扰动之间的岩体力学参数时与实际情况更为接近。在对比研究的基础上，进一步说明了提出的改进公式的合理性。     

用Hoek-Brown强度准则计算隧道围岩的Cm和ψm值

把Mohr-Couloaab强度包络线与Hoek-Brown经验强度曲线联系起来,推导出用Hoek-Brown强度曲线的斜率计算围岩岩体抗剪强度参数的公式,指出这样得到的抗剪强度参数将与围岩岩体所处的应力状态有关,对不同埋深,开挖卸荷的围岩岩体的数值模拟尤为有效.     

用Hoek-Brown强度准则计算隧道围岩的cm和φm值

把Mohr-Coulomb强度包络线与Hoek-Brown经验强度曲线联系起来,推导出用Hoek-Brown强度曲线的斜率计算围岩岩体抗剪强度参数的公式,指出这样得到的抗剪强度参数将与围岩岩体所处的应力状态有关,对不同埋深,开挖卸荷的围岩岩体的数值模拟尤为有效。     

基于统计岩体力学的隧道围岩分级方法

国标《工程岩体分级标准》(GB50218—94)在隧道设计阶段应用广泛,但是由于地质条件的复杂性及岩体各向异性的影响,不能精准预测施工阶段隧道围岩等级。本文基于统计岩体力学提出了针对隧道施工阶段的围岩分级方法,即通过现场岩体结构面统计和岩石力学试验,获取结构面参数和岩石力学参数,应用统计岩体力学强度理论及本构理论,获得具有各向异性特征的岩体弹性模量参数E_m,进而应用经验公式换算得到BQ值,从而确定隧道围岩基本分级。在实例中,小盘岭2号隧道GDK347+360里程处围岩设计分级为Ⅲ级;应用此方法重新分级的结果为Ⅳ级,低于设计分级,这与现场观察和监测的围岩性状吻合,说明本方法在隧道施工阶段能较为客观地反映围岩性质。以上研究结果表明,在含碳泥质板岩隧道围岩施工阶段岩体分级过程中,本方法具有良好地适用性。     

岩体非线性特征描述的数值实现及其试验验证

为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体特征,提出了Hoek-Brown非线性破坏准则的数值实现方法,并对岩体进行了三轴压缩试验的数值模拟,验证了数值计算方法的可靠性,分析了非线性破坏准则中各参数对剪切强度参数的影响.结果表明:通过理论推导可确定Mohr-Coulomb准则中的剪切强度参数与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,粘结力较内摩擦角对岩体地质强度指标的变化更加敏感;二者随完整岩石的岩体常数mi的变化幅度均不大,地质强度指标GSI对岩体强度的影响大于mi.     

节理岩体强度参数损伤张量模型多维估算

Hoek-Brown强度准则因可较好实现对节理岩体稳定性分析及参数估算,正逐渐被广泛应用于岩体工程评价中。在对其进行力学参数估算时,采用一维损伤因子D将岩体视为各向同性损伤材料进行分析,而实际上,节理岩体损伤呈现为多维度特征,对其整体损伤效应予以准确把握有赖于建立多维度损伤表示方法。本文基于Hoek-Brown强度准则实现对岩体强度参数估算,充分考虑损伤效应的多维度特征,建立损伤张量表示模型,并结合节理裂隙空间分布参数,实现对损伤张量因子确定化表示;基于节理岩体损伤张量表示结果,结合某露天铜矿边坡节理岩体统计窗测试结果,实现了对强度参数系统估算。损伤张量模型具有表示节理岩体空间损伤特征,可较好用于对节理岩体强度参数的多维度估算。     

岩石的非线性统一强度准则

Hoek-Brown强度准则在岩石工程中被广泛采用，但由于它没有考虑中间主应力效应，因而在理论和实际应用上都存在不足之处，综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点，提出一个适用于岩石的非线性统一强度准则，这一准则既考虑岩石拉压强度相差较大的特点，又考虑了中间主应力效应及其区间性。Hoek-Brown强度准则和非线性双剪强度准则在π平面上构成了岩石屈服破坏面的内边界和外边界，它们均为所提准则的特例。岩石的非线性统一强度准则，其子午线是非线性的，其参数与Hoek-Brown准则的参数一致，可以用岩石的常规三轴试验结果按Hoek-Brown提出的回归公式得出，完整岩石能够从常规三轴试验数据预测出不同应力角的破坏极限线，与国内4个单位6种岩石20余组岩石真三轴实验结果对比表明，该准则与实验结果吻合良好，这一准则也可以推广到岩体或节理化岩体。     

隧道围岩稳定分析中Hoek-Brown强度准则的运用

结合经典岩体力学理论分析了隧道围岩失稳的原因,然后提出了基于Hoek-Brown强度准则的围岩稳定分析方法,并且结合工程实例论述了其在隧道围岩分析中运用的优越性,认为用其判别完整坚硬围岩的破裂扩展情况的方法是可行的。     

深埋隧洞大理岩卸载路径真三轴强度参数研究

 为研究深埋隧洞围岩卸载路径破坏特性,在现场深埋试验平洞内进行大理岩原位高压真三轴卸载试验,获得大尺度(50 cm×50 cm×100 cm)、高应力( =11.2 MPa)、真三轴( ＞ ＞ )、卸 破坏状态下,能反映深埋隧洞围岩实际应力状态和隧洞开挖应力路径的大理岩全过程应力–应变曲线和三轴强度。在高压卸载路径大理岩原位真三轴试验基础上,引入H-B经验强度准则研究大理岩卸载路径真三轴强度参数。研究成果表明：(1) 对于大理岩卸载真三轴原位试验,按H-B经验强度准则评估卸载路径真三轴强度偏低情况较多,评估经验参数s = 0.003 951 7,mb = 3.414,而由试验成果反算s = 0.095 53,mb = 12.208。(2) 在H-B经验强度准则基础上,按M-C强度准则,评估大理岩卸载真三轴试验强度参数：tan? = 1.39,c = 6.61 MPa,评估未扰动大理岩卸载真三轴强度参数：tan? = 1.60,c = 6.73 MPa,前者可代表卸荷损伤岩体。     

A 3D synthetic rock mass numerical method for characterizations of rock mass and excavation damage zone near tunnels

In practice, a damage zone is generally formed after tunnel excavation in jointed rock mass. This damage zone is closely related to rock mass properties and requires careful examination in order for cost effective supporting designs. In this research, a synthetic rock mass (SRM) numerical method is applied for characterizations of the jointed rock mass and excavation damage zone (EDZ) near underground tunnels in 3D. The SRM model consists of bonded particles and simulates deformation and crack propagation of the rock mass through interactions between these particles. The effects of joint stiffness and distribution on the rock mass properties are systematically examined by comparing the numerical data with an empirical geological strength index (GSI) system and an associated Hoek-Brown strength criterion. The numerical results suggest that rock mass properties are comparable to the empirical GSI/Hoek-Brown system only when inclined joints are simulated in the rock mass subjected to axial loading. The rock mass is strengthened and the empirical GSI/Hoek-Brown characterization becomes inappropriate when the joints are less favorable to shear sliding. The SRM method is then applied for characterizations of tunnel EDZ. It appears that the depth and location of the EDZ are a function of the tunnel orientation, joints, and in situ stresses. The EDZ depth is expected to be higher when inclined joints are simulated. The EDZ area is reduced when the joints in the rock mass are horizontally and vertically distributed.

     

基于特征应力点提出围岩爆破前后损伤比例公式

目前大多数隧道采用的是爆破掘进,炸药爆炸后的冲击应力会对隧道围岩造成不同程度的损伤。隧道围岩的损伤积累会降低围岩强度进而会影响岩体稳定性。岩石的破坏过程在微观上是内部缺陷微裂隙发展、传播、贯通,但岩石的内部微裂隙损伤难于直观观测。笔者通过室内岩石三轴压缩破坏试验和声发射特征试验所获得岩石加载过程的特征应力点判断岩石内部微裂隙发展阶段。特征应力点有裂隙初始应力—原岩损伤强度、爆破应力—凯塞点强度、裂隙贯通应力(长期强度)—原岩强度、抗压峰值强度。基于对围岩破坏过程的特征应力点的研究,提出了围岩爆破前后的损伤比例公式,量化了隧道爆破后围岩相对于原岩的损伤程度。     

基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场

 针对岩体介质非线性破坏特点,采取国际广泛接受应用的建立在地质强度指标(GSI)法基础上的Hoek-Brown屈服准则,建立基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场计算的新方法。首先,根据Hoek-Brown准则确定岩体强度参数;然后,将Hoek-Brown准则不同法向应力水平上的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,用等效内摩擦角和等效黏聚力的Mohr-Coulomb准则代替Hoek-Brown准则;最后,将基于Mohr-Coulomb破坏准则的边坡临界滑动场计算方法进行改进,建立新的迭代方法,获得边坡在满足力与力矩平衡条件下的整体和局部临界滑动面和相应的安全系数。将该方法应用于2个算例和一工程实例边坡的稳定性分析,计算结果表明,该方法既继承了临界滑动场方法快速、准确找到边坡整体局部临界滑动面的优点,又能考虑岩质边坡非线性破坏的特点,更加符合工程实际。     

基于测井信息的煤岩GSI-JP破碎分级预测

利用测井信息和Hoek-Brown准则,推导了地质强度指标GSI和岩体强度指数RMi中节理状态参数JP的理论公式,给出了井筒方向煤岩破碎分级的修正GSI-JP分析方法。应用分层地应力模型分析煤岩单点最大、最小主应力,并结合霍克–布朗准则提出煤岩破碎分级辅助判据。根据煤岩GSI-JP值和破碎系数大小将破碎程度划分为A、B、C、D4个等级,确定煤岩破碎分级标准。应用修正GSI-JP分级方法和破碎系数辅助判据,对沁水盆地ZP-1井煤岩段破碎程度进行预测。结果表明：ZP-1井煤岩段修正GSI值为30～50;RMI法JP值大小为0.10～0.25;破碎系数集中在0.8～1.0。对照破碎分级标准,煤岩均表现为较强破碎（B级）;对比室内煤岩结构电镜扫描结果,该方法预测结果与实际煤岩破碎程度近似,验证了预测结果。基于此方法,开发一套煤岩破碎分级预测软件。     

岩体开挖爆炸应力损伤范围研究

 近年发展起来的爆破损伤模型虽能客观反映岩石爆破物理过程，但爆破损伤模型参数选取复杂，需要通过数值计算来确定爆破损伤范围，不便于工程操作。在工程实践中，通常采用萨氏安全判据和PPV安全判据等确定爆破损伤范围，但这些基本上都是半经验判据，在质点峰值振动速度选取上存在人为误差。在分析这些经验判据的基础上，根据爆炸应力波衰减规律，推导爆炸应力损伤范围计算公式，并将上覆岩体的原岩应力作用计入，只要知道岩体抗拉强度、泊松比就可方便预测爆破岩体损伤范围，使其更符合工程实际，并用工程实例计算说明其合理可行，且操作方便简单，具有重要推广价值。     

圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究

 深部岩体开挖过程中,能量的释放与耗散是导致围岩发生损伤破坏的重要诱因。针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用理论模型研究微差段间爆破荷载与地应力瞬态卸荷重复扰动及耦合作用下围岩应变能的变化规律,并基于弹性应变能判别准则计算围岩损伤范围。研究结果表明：在爆破荷载作用下,围岩应变能经历了先增大再减小最终趋于稳定的动态变化过程;在地应力的瞬态卸荷作用下,围岩应变能经历了先减小再增大最终趋于稳定的过程;二者耦合作用会进一步加剧围岩应变能动态调整过程,并且体现出更加明显的微差段间重复扰动效应,以开挖轮廓附近起爆的两圈崩落孔及周边孔最为明显。爆破荷载主要引起围岩张拉破坏,而地应力瞬态卸荷主要导致围岩压剪破坏,在二者耦合作用下地应力的存在会抑制爆破荷载引起的围岩张拉破坏,从而减小围岩的损伤范围。最后,采用锦屏二级水电站引水隧洞实测围岩损伤范围对理论计算方法的正确性进行了验证。