H-B模型安全系数法在岩质边坡中的应用

H-B模型安全系数法在岩质边坡中的应用

王 凯, 郝燕洁

【摘 要】【摘 要】为了深入研究岩质边坡稳定性的评价标准与理论，首先根据单元安全系数理论，推导了基于H-B准则的点安全系数公式；其次利用FLAC3D内嵌的FISH语言，编制相应的点安全系数程序，进行边坡稳定性分析；最后研究了H-B模型参数如岩体参数如地质强度指标、围岩扰动系数、完整岩体参数、单轴压缩强度和主应力变化对安全系数的影响。结果表明：(1)采用单元安全系数法计算的坡体不稳定区域与塑性区分布范围大致相同，验证了自编fish程序的正确性。(2)单元安全系数与地质强度指标呈正相关关系，随着完整岩体参数的增加，单元安全系数表现出递增与递减两种变化趋势。岩体扰动因子越小，岩体安全程度越高；(3)随着完整岩体参数的增加，安全系数与单轴压缩强度呈正相关，可用对数关系近似描述。说明岩石单轴压缩强度越大，岩体越完整，边坡稳定程度越高。 【期刊名称】四川建筑 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】4

【关键词】【关键词】胡克布朗模型; 单元安全系数; 数值模拟; 边坡稳定 岩体稳定评判准则至今尚未成熟，对于边坡稳定的定义与量化指标亦尚未形成严密的体系[1]。工程上常用安全系数的方法进行边坡稳定性的评价，但是基于强度折减法求出的安全系数只能反映边坡岩土体整体稳定状态，无法得到边坡土体各个组成区域的稳定程度[2-3]。基于这一不足，有学者根据弹性理论建立了单元点安全系数法，用以每个单元的损伤情况与破坏程度 [4-6]。在边坡稳定

分析中，由于Mohr-Columb线性破坏准则采用黏聚力、内摩擦角等参数来反映岩体强度，概念明确，使用方便，长久以来得到广泛应用[7-8]。但是Mohr-Columb准则无法反映岩石的非线性破坏特征，也无法解释低应力区、拉应力区和最小主应力对强度的影响。1980年E．Hoek等人提出了Hoek-Brown非线性强度准则，可以反映岩石的非线性破坏特征[9-10]，弥补了线性强度准则的不足，自从一问世便受到各国岩土工作者的关注[11-13]。本文研究思路如下：首先，利用H-B模型与Mohr-Columb模型参数之间的转换关系，推导H-B准则下的单元安全系数公式；其次，基于 FLAC3D内嵌的fish语言，编制了单元安全系数的程序。建立岩质边坡数值模型，研究了单元安全系数与塑性区分布的关系，验证了自编程序的正确性；最后，研究了基于H-B准则的岩体参数(地质强度指标GSI、围岩扰动系数D、完整岩体参数mi、单轴压缩强度σci)的变化对单元安全系数的影响。

1 H-B模型的单元安全系数理论

1.1 H-B模型

1980年，E．Hoek和E．T．Brown在格里菲斯强度理论的基础上，通过大量岩石三轴试验资料和岩体现场试验成果的分析，提出了著名的H-B节理化强度准则。H-B准则提出之后，几经修改完善，2002年Hoek提出了最新版的H-B准则[14]。在新的准则中，Hoek提出了岩体扰动参量D的概念，用以反映开挖人为开挖因素对岩体的扰动影响。 广义的H-B准则可用下式描述： (1)

式中分别为岩体破坏时最大、最小有效主应力；a为表征节理岩体的常数；mb、

S为与岩石特征有关的材料参数。

从公式(1)看出，胡克布朗准则采用了两个经验参数mb与S来集中考虑影响岩体力学特征的各种复杂因素，简洁明确，便于工程应用。其中各参数可按以下公式计算：

mb=miEXP[(GSI-100)/(28-14D)] (2)

S=EXP[(GSI-100)/(9-3D)] (3) (4)

式中：mi为完整岩石的岩体常数，一般在5～40范围内取值，岩石越坚硬取值越大;GSI为地质强度指标，取值范围为10～100，10表示岩体质量特差，100表示岩体完整;D为应力扰动系数，取值范围为0～1，0表示完全扰动状态，1表示完全未扰动状态。 1.2 围岩稳定评价的安全系数法

单元安全系数可以定量的评价单元接近屈服的程度，常用作评价复杂应力状态下岩体稳定程度的指标。弹塑性力学认为，当单元的应力状态达到某一应力水平时发生屈服。此时的应力状态称为屈服条件，可概化为式(5)： (5)

式中：f为某一函数关系;σ为总应力水平;g为材料某一内变量χ的函数。 根据文献[1]的研究，单元安全系数可定义为式(6)： (6)

其中：当FS>1时表示未破坏；FS<1时表示已破坏；FS=1时表示处于临界状