【《基于Hoek-Brown强度准则的围岩稳定性分析》5000字】

基于Hoek-Brown强度准则的围岩稳定性分析目录TOC\o"1-3"\h\u26129基于Hoek-Brown强度准则的围岩稳定性分析 1264601.1基于完整试块强度的圆形硐室围岩应力及塑性区分析 1188101.2基于Hoek-Brown强度准则的圆形硐室围岩应力及塑性区分析 4262601.1.1Hoek-Brown强度准则 493691.3巷道围岩塑性区计算半径的合理性验证 8193261.3.1巷道围岩塑性区半径理论计算结果 843841.3.2巷道围岩塑性区半径现场实测结果 10147781.4围岩塑性区半径影响因素分析 1166791.4.1塑性区半径与巷道尺寸的关系 11221291.4.2塑性区半径与围岩应力的关系 1313441.4.3塑性区半径与围岩单轴抗压强度的关系 1463191.4.4塑性区半径与支护反力的关系 151.1基于完整试块强度的圆形硐室围岩应力及塑性区分析硐室开挖后，岩体进行应力调整，接近硐壁的部分岩体将产生塑性变形，假设巷道周围塑性区半径为RP，如图1.1所示，硐室半径为R0，在R0≤r≤RP之间的范围内，岩石处于塑性状态；在r>RP以外岩石处于弹性状态。假设岩体各向同性且处于静水压力p0的作用，简化巷道断面形状，选取圆形巷道进行分析。图1.1圆形巷道的塑性区当硐壁的二次应力超出岩体的屈服应力，则硐壁岩体将产生塑性区，在此采用莫尔—库伦直线形强度判据作为进入塑性状态的条件，该起塑条件为：（1.1）式中：，。满足该条件即认为岩体发生破坏，即进入塑性状态。根据图1.1所示受力特征，可认为切向应力σθ为最大主应力，而径向应力σr为最小主应力，因此，岩体的起塑条件可改写成下式：（1.2）根据弹塑性力学原理，获得静力平衡方程式为：（1.3）为了与弹性区的应力有所区别，上式在表示应力符号的脚标中加上p，以示为塑性区的应力。将岩体的起塑条件代入公式（1.2），对应获得：（1.4）解微分方程：（1.5）结合边界条件，获得积分常数为：（1.6）通过式（1.4）~（1.5）获得塑性区（r<RP）内的各应力分量为：（1.7）（1.8）（1.9）由上述分析可知，随着r的增大，径向应力也将随之增大。根据三向应力作用下岩体的强度特性可知，岩体的强度将随围压的增加而提高，由此使岩体中的应力逐渐向弹性应力状态过渡。因此，在岩体内必定存在着某一点的应力为弹塑性应力的交界点，即该点的应力既满足塑性应力的条件又满足弹性应力的条件。通常将此弹塑性分界点到硐轴线的距离称作为塑性圈半径Rp。根据以上所叙述条件：r=Rp；；（角标e代表弹性区的对应应力分量）。静水压力下的弹性区应力表达公式为：（1.10）（1.11）可以看出，上式满足：将塑性区内的应力计算公式代入上式，可得：（1.12）简化后得塑性区半径的计算公式为：（1.13）将上式代人塑性区内应力的计算公式（1.6），获得塑性区边界上的应力表达式为：（1.14）考虑支护时，在支护反力Pi的作用下，塑性区的应力表达为：（1.15）塑性区半径计算公式为：（1.16）1.2基于Hoek-Brown强度准则的圆形硐室围岩应力及塑性区分析1.1.1Hoek-Brown强度准则在现场地质条件下由于裂隙、断层等构造的存在，现场节理岩体强度较试块强度弱化，则直接利用完整试块的强度分析围岩塑性区不合理。考虑到节理岩体强度可采用节理岩体的莫尔—库伦强度准则和Hoek-Brown强度准则进行分析，但受参数限制，无法基于完整试块的莫尔—库伦准则计算节理岩体的莫尔—库伦强度准则。考虑到在较低应力范围内两准则的相似性，在此根据Hoek-Brown强度准则拟合节理岩体的莫尔—库伦强度准则，进一步获得节理岩体的内摩擦角和粘聚力等参数。Hoek-Brown强度准则计算公式为：（1.17）式中，σ3’—破坏时最小有效主应力；σ1’—破坏时最大有效主应力；σc—完整试块的单轴抗压强度。mb，s，a是岩体参数，在节理岩体中，Cai.M将地质强度指标（GSI）引入具体参数计算，各参数计算公式为：（1.18）（1.19）（1.20）式中，mi—Hoek-Brown常数，取值见表1.1所示（取自Hoek-Brown相关文献）；D—应力扰动因子，取值范围0-1，（现场无爆破等大范围扰动时可取0）；GSI—地质强度指标，GSI取值范围如图1.2所示。表1.1mi常数取值颗粒尺寸沉积岩变质岩火成岩碳酸盐碎屑化学品碳酸盐硅酸盐长英矿物镁铁质镁铁质粗粒白云石10.1砾岩(20)大理石9.3片麻岩29.2花岗岩31.7辉长岩25.8苏长岩21.7中粒白垩纪软岩7.2砂岩18.8黑矽石19.3角闪岩31.2辉绿岩15.2细粒石灰岩8.4粉砂岩9.6石膏岩15.5石英岩23.7流纹岩(20)安山岩18.9玄武岩(17)极细粘土岩3.4硬石膏13.2板岩11.4注：表中所示数值均由各岩石三轴试验统计分析获得，括号中数值为估算值。图1.2GSI取值范围节理岩体弹性模量计算公式为：（1.21）如图1.3所示，依据Hoek-Brown强度准则（曲线1）拟合获得节理岩体的莫尔—库伦强度准则（曲线2），参考Hoek-Brown相关文献，对应获得节理岩体的内摩擦角𝝋’和粘聚力c’分别为：φ'=sinc'=σ其中，σ'3n=σσcm图1.3强度准则1.1.2塑性区应力和塑性区半径分析在节理岩体中，ξ将式（1.22）代入式（1.24），得：ξ'=1+a在节理岩体中，σ将式（1.22）和（1.23）代入式（1.26），得：σ×[2×1−[6a对应获得塑性区内应力计算公式为：（1.28）（1.29）塑性区半径计算公式为（1.30）在支护力Pi的作用下，塑性区的应力表达为（1.31）在支护力Pi的作用下，塑性区半径计算公式为（1.32）1.3巷道围岩塑性区计算半径的合理性验证1.3.1巷道围岩塑性区半径理论计算结果该课题在平煤十矿、贵州湾田集团、新汶矿业集团有限公司进行了现场应用。在此，以平煤十矿地质力学参数、巷道尺寸参数等数据对上述计算公式进行验证。平煤十矿-320m辅助运输大巷地面标高+160m~+185m，井下标高-313m~-314m，工程设计长度为184m（平距）。巷道位于戊8煤层顶板以上0-4m的砂质泥岩中，再上为10m以上的厚层状细至中粒砂岩，巷道顶底板地质柱状图如图1.4所示，采掘工程平面图如图1.5所示。顶底板岩层力学参数见表1.6，砂质泥岩岩层裂隙发育、软弱破碎，属于典型的多裂隙围岩巷道。该巷道为直墙半圆拱巷道，巷道宽度4.1m，巷道高度3.1m，巷道具体尺寸如图1.6所示。表1.2顶底板岩层力学参数岩性密度/(kg/m3)弹性模量/GPa抗拉强度/MPa粘聚力/MPa单轴抗压强度/MPa内摩擦角/（°）中粒砂岩248010.551.865.1318.4932砂质泥岩24208.421.354.0414.2731煤层13703.511.261.397.8027图1.4工程段岩层综合柱状图图1.5工程段采掘工程平面图图1.6辅助运输大巷断面图巷道埋深取485m，上覆岩层平均容重取23000kN/m3，计算获得围岩压力p0=11.16MPa，结合中粒砂岩相关参数，依据公式（1.13），计算获得Rp=1.15m，减去巷道半径R0（1.05m），获得围岩塑性破坏范围达围岩深部0.1m。巷道顶板岩层主要是中粒砂岩，参考表1.1，mi取7.2，现场无爆破等大范围扰动，D取0，现场节理裂隙较发育，GSI取50，结合中粒砂岩相关参数，依据公式5.30，计算获得Rp=4.74m，减去巷道半径R0（1.05m），获得围岩塑性破坏范围达围岩深部1.69m。1.3.2巷道围岩塑性区半径现场实测结果在-320m辅助运输大巷内进行了钻孔窥视探测，钻孔深度8000mm，钻孔直径108mm。具体窥视结果如图1.7所示，通过钻孔窥视可以看出，钻孔内壁裂隙较多，岩屑多为颗粒状物质，在0-3m的范围内，围岩较破碎，碎块直径较小，破碎程度严重；自3m至8m范围内岩体相对较完整，基本无裂隙。则可以判断围岩塑性破坏范围达围岩深部3.0m左右的位置，这与基于Hoek-Brown强度准则计算获得的围岩塑性区半径（1.86m）基本一致，则可以看出，基于Hoek-Brown强度准则弱化后的塑性区计算公式较合理。(a)距离孔口1米处的位置(b)距离孔口2米处的位置(c)距离孔口3米处的位置(d)距离孔口4米处的位置(e)距离孔口6米处的位置(f)距离孔口8米处的位置图1.7钻孔窥视探测1.4围岩塑性区半径影响因素分析后续分析均基于以下参数：巷道埋深485m，上覆岩层平均容重23000kN/m3，围岩压力p0=11.16MPa，mi取7.2，D取0，现场节理裂隙较发育，GSI取50。完整试块的其他力学参数见表1.1.1.4.1塑性区半径与巷道尺寸的关系保持静水压力和单轴抗压强度等其他参数不变，改变硐室半径，获得塑性区半径与硐室半径演化如图1.8(a)所示。(a)无支护力作用(b)有支护力作用图1.8塑性区半径与硐室半径演化关系总体来看，两种计算公式下塑性区半径均随着硐室半径增大而逐渐增大，但原始公式下塑性区半径保持在微小的范围内，而改进计算公式下围岩塑性区半径远远大于原始公式下塑性区半径，且改进计算公式下塑性区半径随硐室半径增大的增速远大于原始公式下的塑性区半径增速。原始公式下，塑性区半径增速缓慢，增长斜率约为0.05。改进公式下，塑性区半径增速相较于原始公式较快，增长斜率约为1.31。较快的变化与现场较一致，说明改进模型与现场更契合。保持静水压力、单轴抗压强度与支护反力不变，改变硐室半径，获得支护作用下，塑性区半径与硐室半径演化如图1.8(b)所示。总体来看，在支护力作用下，塑性区半径与硐室半径演化趋势与上述无支护力时的演化趋势基本一致。区别在于，有支护力作用时，塑性区半径的增速相对较慢，原始公式下，增长斜率为0.028，改进公式下，增长斜率为1.06，显然支护对围岩的塑性破坏有一定减缓作用。1.4.2塑性区半径与围岩应力的关系保持硐室半径和单轴抗压强度不变，改变静水压力，获得塑性区半径与静水压力演化关系如图1.9(a)所示。两种计算公式下塑性区半径均随静水压力增大而逐渐增大，但原始公式下塑性区半径保持在较小范围内，而改进计算公式下围岩塑性区半径远远大于原始公式下塑性区半径，且改进计算公式下塑性区半径随静水压力增大的增速远大于原始公式下的塑性区半径增速。原始公式下，在静水压力小于10MPa范围内围岩基本不出现塑性破坏，塑性区半径几乎为零，静水压力大于10MPa后，塑性区半径开始呈线性缓慢增大，增长斜率约为0.058。改进公式下，在静水压力小于1.7MPa范围内，围岩不出现塑性破坏，塑性半径为零，当净水压力大于1.7MPa后，塑性区半径也近似呈线性增大，增大斜率约为0.18。保持硐室半径、单轴抗压强度与支护反力不变，改变静水压力，获得支护作用下，塑性区半径与静水压力演化如图1.9(b)所示。总体来看，在支护力作用下，塑性区半径与静水压力演化趋势与上述无支护力时的演化趋势基本一致。区别在于，有支护力作用时，原始公式下，静水压力大于10MPa后，塑性区半径开始呈线性缓慢增大，增长斜率约为0.056；改进公式下，当净水压力大于1.7Mpa后，塑性区半径也近似呈线性增大，增大斜率约为0.14。(a)无支护力作用(b)有支护力作用图1.9塑性区半径与静水压力演化关系1.4.3塑性区半径与围岩单轴抗压强度的关系保持硐室半径和静水压力不变，改变单轴抗压强度，获得塑性区半径与单轴抗压强度演化关系如图1.10（a）所示。总体来看，两种计算公式下塑性区半径均随单轴抗压强度增大而减小。原始公式下，在岩体单轴抗压强度小于4MPa范围内，随着单轴抗压强度的增加，塑性区半径急剧减小，岩体单轴抗压强度大于4MPa后，塑性区半径开始缓慢减小，减小斜率为0.08，并在单轴抗压强度达到20MPa时，围岩基本不出现塑性破坏，塑性区半径几乎为零。在改进公式下，在单轴抗压强度小于4MPa范围内，随着单轴抗压强度的增加，塑性区半径急剧减小，单轴抗压强度大于4MPa后，塑性区半径开始缓慢减小，减小斜率为0.12，并在单轴抗压强度达到20MPa时，围岩基本不出现塑性破坏，塑性区半径几乎为零。保持硐室半径、静水压力与支护反力不变，改变单轴抗压强度，获得在支护作用下，塑性区半径与单轴抗压强度演化如图