基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的高應(yīng)力判據(jù)理論分析

王成虎

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

如何看待巖體強(qiáng)度和巖體中的應(yīng)力之間的相對關(guān)系已經(jīng)成為地下工程設(shè)計和建設(shè)過程中首要的基礎(chǔ)工作之一。在工程實踐中，原地應(yīng)力測量是在工程巖體中展開的，現(xiàn)場實踐又受到巖體質(zhì)量明顯的影響，因此，對原地應(yīng)力狀態(tài)的評價必須從巖體的角度來考慮。對于地下工程，導(dǎo)致巖體變形破壞的主要因素是巖土體內(nèi)的開挖擾動，而開挖擾動引起了初始應(yīng)力場的二次分布，地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要受二次應(yīng)力場的控制。評價一個工程區(qū)的初始應(yīng)力狀態(tài)是否高，應(yīng)定量評價原始應(yīng)力場是否會造成巖體的變形破壞，而巖體的變形破壞基本都遵守巖體強(qiáng)度理論。對一個工程區(qū)的初始應(yīng)力狀態(tài)的評價，就轉(zhuǎn)化成為分析擬建地下結(jié)構(gòu)周圍巖體的強(qiáng)度在二次應(yīng)力場作用下，滿足巖體強(qiáng)度理論時會產(chǎn)生什么樣的結(jié)果。

鑒于Hoek-Brown經(jīng)驗強(qiáng)度理論及由其延伸出來的巖體強(qiáng)度估算方法在國內(nèi)外都得到了廣泛的認(rèn)可，故將按照上面所提出的技術(shù)思路基于Hoek-Brown強(qiáng)度理論詳細(xì)闡述高地應(yīng)力評價指標(biāo)體系的力學(xué)原理，Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則如公式（1）所示。

Jaeger和Cook曾指出，工程場區(qū)的遠(yuǎn)場應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)滿足如下公式：

式中：μ為巖體摩擦系數(shù)，取值范圍為0.6～1.0。令μ分別為0.7、0.80、0.90，進(jìn)行式（1）、（2）的運(yùn)算，同時利用巖體強(qiáng)度σm代替巖石單軸抗壓強(qiáng)度σci開展相應(yīng)的力學(xué)分析。分析結(jié)果顯示，處于破壞極限平衡狀態(tài)的巖體強(qiáng)度與巖體中最大主應(yīng)力的比值σm/σ1范圍在0.7～0.05之間，數(shù)值范圍0.5～0.1基本可以覆蓋絕大多數(shù)處于極限平衡破壞狀態(tài)的巖體強(qiáng)度與巖體中最大主應(yīng)力的比值。

在這里要推導(dǎo)出適合于絕大多數(shù)巖體應(yīng)力狀態(tài)評價準(zhǔn)則，故應(yīng)采用極限平衡破壞狀態(tài)的巖體強(qiáng)度與巖體中最大主應(yīng)力的比值的上邊界，即當(dāng)σm/σ1<0.5時，便認(rèn)為巖體中的應(yīng)力對巖體穩(wěn)定性發(fā)生了很大的影響，有非常大的可能性會導(dǎo)致巖體失穩(wěn)，這種狀態(tài)即可定義為高應(yīng)力狀態(tài)。而在實際工程實踐中，開挖作業(yè)會在圍巖體中產(chǎn)生二次應(yīng)力場，如果我們再考慮了地下應(yīng)力構(gòu)筑物周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，就可以得到進(jìn)行原地應(yīng)力狀態(tài)評價的具體指標(biāo)和步驟，如表1所示。

表1 巖體強(qiáng)度應(yīng)力比地應(yīng)力評價指標(biāo)

為了更好地驗證以上所提出的工程區(qū)高應(yīng)力評價判據(jù)和方法，收集了一些國內(nèi)外公開發(fā)表的工程實例來展示該方法體系的可行性和可靠性，通過對比分析，發(fā)現(xiàn)該評價指標(biāo)應(yīng)用效果良好。

本文提出的原地應(yīng)力評價分級標(biāo)準(zhǔn)針對的是一個普適性略顯保守的分級標(biāo)準(zhǔn)，因而其他工程實踐中使用時也有可能出現(xiàn)評級略有差別的情況，這時就要結(jié)合圍巖穩(wěn)定性分析對原地應(yīng)力狀態(tài)再進(jìn)行深入研究。