基于Hoek-Brown强度准则的软岩强度参数获取方法研究

基于Hoek-Brown强度准则的软岩强度

参数获取方法研究

曹　俊1　何文勇2　毛昱昆1

（1．贵州大学　贵州贵阳　550025；

2．贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵州贵阳　550001）

【摘　要】岩土体工程中如何可靠地获取岩体的力学参数一直是岩石力学所面临的重要问题，基于广义的Hoek-Brown强度准则，结合国标中对岩体结构类型划分与岩体结构面条件总评分，构建新的地质强度指标GSI量化取值表，获取岩体的GSI范围量化值，结合RocData数据处理软件，拟合出岩体的剪切强度包线，获取岩体的物理力学参数，与工程实例中获取的现场直剪试验数据进行对比分析，分析此方法的合理性。

【关键词】岩体物理力学参数；地质强度指标GSI；现场直剪试验；GSI量化取值表【中图分类号】TU452 【文献标识码】A

0　引　言

岩体的物理力学参数对岩体工程的稳定性分析有着重要的作用，如何可靠地获取岩体的力学参数一直是岩土工程所面临的重要问题。一般可通过经验与工程类比、室内试验、现场试验、反演分析等方法获取。软弱层控制着边坡的稳定性，如何获取其物理力学参数至关重要，岩体力学原位测试法可得到相对准确的岩体力学参数，但测试周期长、费用高、测试依赖实际工程环境，且易受仪器精度、试样尺寸、试样代表性等因素的影响。

E.Hoek[1]考虑岩体的结构与结构面等级特征，首次提出基于地质强度指标GSI的Hoek-Brown强度准则，通过GSI对岩体评分，能较好地反映岩体的强度特性，得到广泛的运用，但GSI值的获取一直是个难题。从大量的现场直剪试验可知，同一种岩体的抗剪强度参数也有差异。王新刚等[2]基于岩体结构类型、岩体完整性系数Kv、岩体结构等级SR、节理特征系数Jc、结构面表面等级来构建

GSI量化取值表，考虑GSI的区间取值来估算岩体的强度指标，能更好地反应岩体的强度参数。H.Sonmez和R.Ulusay考虑岩体的体积节理数JV、岩体的结构级数SR、岩体表面条件等级SCR来量化岩体的GSI取值。傅晏[3]结合我国规范实际情况，将GSI评分系统进行了修正，提出了一种包含岩体完整性系数Kv、岩体体积节理数Jv定量关系的GSI评分表，但其岩体体积节理数Jv为近似值。

本文结合国标中对岩体结构类型划分与岩体结构面条件总评分，构建新的GSI量化取值表，旨在获取岩体的GSI范围值对岩体参数进行评价，基于广义H-B强度准则来获取岩体的物理力学参数。

1　Hoek-Brown强度准则

1.1　广义H-B强度准则

E.Hoek、E.T.Brown通过对大量岩石三轴试验资料和现场岩体试验成果的统计分析，结合岩石性状方面的理论研究成果和实践检验，于1980年首次提出了Hoek-Brown强度准则，通过地质强度指标

【收稿日期】2017-07-07

【作者简介】曹俊（1992-），男，四川泸州人，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性研究方面的工作。

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西南公路

GSI来表征岩体强度，后又通过研究并提出了修正后的m、s取值，对H-B强度准则进行了改进，得到广义H-B强度准则，使其可同时应用于岩石和岩体，E.Hoek在2002年提出考虑岩体扰动情况的Hoek-Brown强度准则，引入了扰动因子D。

σmσ3a

1=σ3+σc(b σ+s)1

（1）式中：σ1、σ3分别为岩体破坏时的最大主应力和最小主应力；σc为岩块的单轴抗压强度；mb为岩体Hoek-Brown常数，表征岩体的软硬程度,与完整岩块的mi相关；mi为完整岩块的Hoek-Brown常数,可通过查表获取；s反应岩体的破碎程度；a为针对不同岩体量纲的经验参数。

其中mb，s，a可分别通过（2）~（4）式计算得出：

m( )GSI-100b=mie

28-14D

（2） s=e( )GSI-1009-3D（3）a= + (11

e GSI2015

3

26

-e ) （4）

1.2　岩体力学参数取值

从众多工程中可以发现，岩体的抗剪强度参数多为非线性关系，故Hoek建议岩体抗剪强度关系式可表示为：

τ=Aσσc( σc-T )B

（5）

式中：τ为岩体的剪应力；σ为岩体的法向应力；A、B为待定常数；T可按式（6）计算得出：

T=(m2b- mb+4s)/2

（6）

通过式（5）可以得到岩体的σ-τ曲线，通过式（7）～（8）能得到应力范围内岩体的c、φ值：

=

σc[(1+2a)s+(1-a)mbσ3n](s+mbσa-1c3n) (1+a)(2+a)1+[6amb(s+mbσ3n)a-1]

（7）

(1+a)(2+a)

-1

6amb(s+ma-1

φ=sin[ ]bσ3n)

2(1+a)(2+a)+6amb(s+ma-1

（8）bσ3n)σ3n=σ （max/σc9）σ3max （/σcm=0.72(σcm/γH)-0.9110）[mmb

b+4s-a( σ=σmb-8s)]( +s)a-1

cmc

42(1+a)(2+a)（11）

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式中：σcm为岩体的抗压强度，当σ3满足应力范围0＜σ3＜0.25σc时，岩体抗压强度σcm可用式（11）表示；σ3max为侧限应力上限值；γ为岩体重度；H为岩质边坡高度或隧道埋深。

2　GSI取值表的改进

E.Hoek提出从岩体的结构和结构面特征两方面综合考虑来估算GSI值的方法。把岩体结构分为完整结构、块状结构、镶嵌结构、碎裂结构、散体结构和剪碎结构；把结构面特征分为很好、好、一般、差和很差。采用均值划分的方式来限定岩体的GSI值，显然无法准确地获取岩体的GSI值。根据国标对岩体完整程度的划分，把岩体结构分为整体、较完整、较破碎、破碎和极破碎（见表1）；结构面特征按节理迹长、裂隙宽度、粗糙度、充填情况、风化程度综合评分确定（见表2），采用等值划分的方式来限定岩体的GSI值，构建出新的GSI量化取值表（如图1所示）。

表1　岩体结构划分表

名称结构类型Kv值完整整体状或巨厚层状结构＞0.75较完整

块状或巨厚层状结构

0.75～0.65块状结构

0.65～0.55裂隙块状或中厚层状结构

0.55～0.45较破碎

镶嵌破碎结构0.45～0.40中、薄层状结构

0.40～0.35破碎裂隙块状结构0.35～0.15极破碎

碎裂状结构0.15～0.05散体结构

＜0.05

节理面很粗糙，节理面略粗糙,节理面略粗糙,节理面光滑或岩体结构岩体结构类型节理不连续，节张开宽度<1mm,张开宽度<1mm,含厚度<5mm软含厚度>5mm软理闭合，节理面节理面岩石微节理面岩石高度弱夹层，或者弱夹层，或张岩石未风化风化风化张开宽度为1~开宽度为>5mm，Kv值5mm，节理连续节理连续完整整体状或巨厚层无此种情况状结构0.75块状或巨厚层状结构较完整0.65较完整0.55裂隙块状或中厚层状结构较破碎0.46镶嵌破碎结构0.40中、薄层状结构0.35破碎裂隙块状结构0.15极破碎碎裂状结构无此种情况散体结构0.05图1　GSI量化取值改进图

曹俊，何文勇，毛昱昆：基于Hoek-Brown强度准则的软岩强度参数获取方法研究

表2　结构面条件评分表

节理条件

节理面很粗糙，节理不连续，节理闭合，节理面岩石未风化节理面略粗糙，张开宽度＜1mm，节理面岩石微风化节理面略粗糙，张开宽度＜1mm，节理面岩石高度风化节理面光滑或含厚度＜5mm软弱夹层，或者张开宽度为1～5mm，节理连续

含厚度＞5mm的软弱夹层，或张开宽度＞5mm，节理连续

总评分

节理迹长节理迹裂隙宽度裂隙宽

粗糙度

长评分/mm度评分/m＜11～33～1010～20

6421

闭合＜0.10.1～11～5

6541

很粗糙粗糙较粗糙光滑

粗糙度

评分6531

充填情况无充填硬质充填＜5mm硬质充填＞5mm软质充填＜5mm

充填情况评分6422

风化程度未风化微风化中风化风化

风化程度评分6531

30252010

0＞200＞50镜面擦痕0软质充填＞5mm0强风化0

3　工程实际运用

3.1　桥区地质情况

六广河特大桥隶属于贵州省江口至都格高速公路息烽至黔西段，跨越呈“V”形的六广河大峡谷，路线小桩号一侧为息烽岸，大桩号一侧为黔西岸。场区覆盖层为残坡积层（Qel+dl）粉质粘土。下伏基岩为三叠系下统茅草铺组（T1m）薄～中厚层状灰岩、泥质灰岩及角砾岩。岩体略微外倾，岩层产状152°∠14°，下层角砾岩厚度10~30m，成分为灰岩、页岩和泥岩，薄～中厚层状，为同生角砾岩，该角砾岩与顶部灰岩或泥质灰岩的接触位置有一层钙质页岩，埋深约60m。因此，在小桩号一侧岸息烽岸存在长大顺层岩质边坡，控制息烽岸整稳定性。该软弱层及其层理结构面的抗剪强度是控制整个岸坡横向岩体稳定性最关键的指标参数，对软弱层开展了现场原位试验，进行了大量的直剪试验以获取抗剪强度的粘聚力c值和内摩擦角φ。3.2　岩体参数对比分析

对六广河岸坡软弱层钙质页岩调查分析，结合新构建的GSI量化取值表，GSI取值范围在18~30，钙质页岩的单轴抗压强度取值13MPa，mi取值4，借助H-B强度准则数据分析软件RocData进行数据处理，得到钙质页岩的H-B强度准则相关参数（见表3）。

表3　H-B参数取值表

σc

mGSI/MPai1313

mb

s

a

D

σ3max/MPa

γH/kg·m3/m26.026.0

6060

由RocData所拟合的岩体三轴抗压强度曲线图（见图2）与剪切强度包线和现场直剪试验拟合的岩体剪切强度包线对比图（见图3）中可以看出，由GSImin与GSImax值拟合的岩体强度包线大体上可以包含直剪试验所得的剪切强度包线，当岩体所受正应力较小时，由GSI值拟合的剪应力较直剪试验值偏小，当正应力大于200kPa后，拟合的岩体剪切强度包线与现场直剪试验获取的岩体剪切强度包线比较吻合。通过对两种方式拟合得到的岩体剪切强度包线进行拟合，得到岩体物理力学参数值（见表4），对比分析可发现GSImin~GSImax取值时，岩体的粘聚力为111.3kPa~164.2kPa，较直剪试验获取的粘聚力比较接近，两种方式的平均值也比较接近。

3.02.52.0σ1/MPa1.51.00.5σ3/MPa0.00.00.20.40.60.81.0 GSI=18 GSI=30图2　拟合三轴抗压强度曲线

0.70.6剪应力/MPa0.50.40.30.20.10.00.0试点1试点2试点3 平均值 GSI=18GSI=30正应力/MPa0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.04180.2138930.000110.54998701.03014300.328340.0004190.52234401.06823

图3　抗剪强度曲线

（下转第144页）

137

西南公路

参 考 文 献

[1] 刘兴旺,施祖元,益德清,等.软土地区基坑开挖变形性状研究[J].岩土工

程学报,1999,21(4):456-460.

[2] 刘燕,刘国彬,孙晓玲,等.考虑时空效应的软土地区深基坑变形分析[J].

岩土工程学报,2006,28(增):1433-1436.　

[3] 维亚洛夫C.C.土力学的流变原理[M].北京:科学技术出版社,1987.[4] 王婷婷.滨海软土流变模型及其在结构物稳定性分析中的应用研究[D].

天津:天津大学,2008.

[5] 谢宁,孙钧.土体非线性流变的有限元解析及其工程应用[J].岩土工程学

报,1995(4):95-99.

[6] 于浩,李海芳,温彦锋,等.九甸峡堆石料三轴蠕变试验初探[J].岩土力

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[7] 孙钧.岩土材料流变及其工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.[8] 程展林,丁红顺.堆石料蠕变特性试验研究[J].岩土工程学报,2004,26

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[9] 侍倩.饱和软粘土蠕变特性试验研究[J].土工基础,1998(3).

[10] 朱鸿鹄,陈晓平,程小俊,等.考虑排水条件的软土蠕变特性及模型研究

[J].岩土力学,2006,27(5):694-698.

[11] 严绍军,项伟,唐辉明,等.大岩淌滑坡滑带土蠕变性质研究[J].岩土力

学,2008,29(1):58-62.

[12] 王琛,唐明,刘浩吾,等.三峡泄滩滑坡滑动带土的Singh-mitchell蠕变方

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[13] 张先伟,王常明,王钢城,等.黄石淤泥质土的剪切蠕变特性及模型研究

[J].吉林大学学报:地球科学版,2009,39(1):119-125.

[14] 梁小勇,薛晓辉,王虎妹,等.岩石时间硬化损伤蠕变特性[J].辽宁工程

技术大学学报:自然科学版,2013(4):509-512.

[15] 郭海柱,张庆贺,朱继文,等.土体耦合蠕变模型在基坑数值模拟开挖中

的应用[J].岩土力学,2009,30(3):688-692.　

4　结　语

（1）因为分级加载蠕变试验具有时间长、上一级荷载对下一级荷载产生影响并且不能直观反映每一级应力水平下土体应变随时间变化较完整的蠕变曲线等缺点，所以为了更加准确地分析淤泥质土的非线性蠕变特性，需采用陈氏法将分级加载所得土体蠕变试验曲线转化为分别加载蠕变曲线。

（2）当应力水平较低时，淤泥质土呈现为衰减性蠕变变形；随着荷载的进一步增大，土体蠕变变形速率为一稳定常数，土体进入稳定蠕变变形阶段；当剪应力很大，土体达到屈服时，淤泥质土蠕变变形发生急剧变化，土体出现剪切破坏；

（3）应力-应变等时曲线开始呈现有近似线性蠕变变形特性；随着固结压力的提高，应力-应变曲线的非线性特性愈来愈明显并出现明显拐点，所以所取土样具有显著的非线性蠕变特性。

（4）采用时间硬化蠕变模型对所取淤泥质土样在不同围压下的试验数据进行回归分析，回归曲线能较好拟合室内蠕变试验成果，表明该模型能够较好描述依托工程淤泥质土的蠕变特性，可选为所取土样的蠕变模型，为后续数值计算提供了蠕变参数。

（上接第137页）

表4　岩体物理力学参数

岩体参数粘聚力/kPa内摩察角/°

试点试点试点试点123平均值108.8124.8158.8130.822.5

26.4

24.8

24.57

GSI

1

GSI2

GSI平均值137.823.15

较好地拟合出岩体的剪切包线，从而获取岩体的物理力学参数。

（2）基于新构建的GSI量化取值表，所获得的岩体剪切强度包线与现场直剪试验获取的岩体剪切强度包线较吻合；通过两种包线拟合得到的岩体物理力学参数也比较接近。

参 考 文 献

[1] HOEK E, BROWN E T. Empirical strength criterion for rock masses [J]. Journal

of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1980,106 (9): 1013-1035.[2] 王新刚,胡斌,王家鼎等.基于GSI的Hoek-Brown强度准则定量化研究

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[3] 傅晏.干湿循环水-岩相互作用下岩石劣化机制研究[D].重庆:重庆大学, 2010.

111.3164.220.9825.31

4　结　语

（1）H-B强度准则能较好地反应出岩体的强度特性，通过新构建的GSI量化取值表获取岩体地质强度指标的范围值，通过RocData处理数据，能

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