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基于Hoek-Brown准则的节理岩体能量参数估算

柴波 陶阳阳 杜娟 台大平 王禹

柴波, 陶阳阳, 杜娟, 台大平, 王禹. 基于Hoek-Brown准则的节理岩体能量参数估算[J]. 地质科技通报, 2020, 39(1): 78-85. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0109
引用本文: 柴波, 陶阳阳, 杜娟, 台大平, 王禹. 基于Hoek-Brown准则的节理岩体能量参数估算[J]. 地质科技通报, 2020, 39(1): 78-85. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0109
Chai Bo, Tao Yangyang, Du Juan, Tai Daping, Wang Yu. Energetics parameter estimation of jointed rock mass based on Hoek-Brown failure criterion[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2020, 39(1): 78-85. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0109
Citation: Chai Bo, Tao Yangyang, Du Juan, Tai Daping, Wang Yu. Energetics parameter estimation of jointed rock mass based on Hoek-Brown failure criterion[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2020, 39(1): 78-85. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0109

基于Hoek-Brown准则的节理岩体能量参数估算

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0109
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41572256

国家自然科学基金项目 41877253

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 CUGL160408

详细信息
    作者简介:

    柴波(1981-), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事环境地质和工程地质方面的教学与研究工作。E-mail:chabo@cug.edu.cn

  • 中图分类号: P642

Energetics parameter estimation of jointed rock mass based on Hoek-Brown failure criterion

  • 摘要: 岩体变形和破坏可以看作能量耗散和释放的过程。由于节理岩体结构复杂且难以开展室内试验,因此无法通过试验直接求取其能量学参数。基于Hoek-Brown准则和岩石能量理论,提出了节理岩体在临界状态能量学参数的估算方法。针对含贯通节理(或层面)岩体,通过修正岩块单轴抗压强度以体现贯通节理的方向效应。采用PFC3D分别模拟小尺寸岩样(Φ50 mm×100 mm)和大尺寸岩体(Φ2 m×2 m)的三轴压缩试验,通过岩石三轴试验结果拟合岩石数值模拟的细观参数并应用于节理岩体的模拟。根据节理岩体模拟得到应力应变曲线和能量流,验证了Hoek-Brown准则对节理岩体能量参数估算的合理性。

     

  • 图 1  研究思路

    Figure 1.  Flow chart

    图 2  三轴循环加载试验下应力-应变曲线及模拟曲线

    Figure 2.  The stress-strain curves of triaxial cyclic loading test and the simulated curves of PFC

    图 3  含贯通节理岩体轴向应力应变曲线及能量流

    Figure 3.  The simulated axial stress and energy variation of layered rock masses

    图 4  含贯通节理岩体能量分配与应力比关系曲线

    Figure 4.  The ratio of dissipated energy to elastic energy with the ratio of stress to peak stress for layered rock masses

    图 5  含不同密度断续节理岩体应力应变曲线及能量流

    Figure 5.  The simulated axial stress and energy variation of jointed rock masses

    图 6  节理岩体力学参数估算与模拟

    Figure 6.  The estimated and simulated mechanical parameters of jointed rock mass

    图 7  耗散能和弹性能之比与应力和峰值应力之比

    Figure 7.  Ratio of dissipated energy to elastic energy with the ratio of stress to peak stress for jointed rock masses

    表  1  PFC3D模型细观参数

    Table  1.   Mesoscopic parameters of PFC30 rock model

    细观参数 取值
    墙体 法向刚度/(N·m-1) 1.2×109
    切向刚度/(N·m-1) 1.2×109
    颗粒 法向刚度/(N·m-1) 1.2×108
    切向刚度/(N·m-1) 1.2×108
    密度/(g·cm-3) 2 650
    最小粒径/m 1.0×10-3
    粒径比 3.0
    摩擦系数 0.8
    平行粘结
    模型
    抗拉强度/Pa 2.0×108
    内聚力/Pa 5.0×107
    有效弹性模量 1.0×109
    内摩擦角/(°) 30.0
    平滑节理模型
    (smooth-joint)
    法向刚度/(N·m-1) 1.0×1070.1
    切向刚度(N/m) 1.0×107
    抗拉强度/Pa 2.0×106
    内聚力/Pa 5.0×105
    摩擦系数 0.3
    影响范围 0.1
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    表  2  含不同倾角贯通节理岩体的三轴抗压强度

    Table  2.   Triaxial compressive strengths of layered rock mass with different layer dip angles

    节理倾角/
    (°)
    PFC模拟
    TCS(MPa)
    σc修正
    系数
    H-B估算
    TCS/MPa
    56 1 49.2
    15 34 0.61 33.4
    30 22 0.39 24.5
    45 12 0.21 16.6
    60 15 0.27 19.0
    75 32 0.57 31.9
    90 43 0.77 39.9
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    表  3  三组优势节理产状和直径分布参数

    Table  3.   The distribution parameters of orientations and diameters of dominant joint sets

    优势组 产状 直径或迹长
    分布 倾向/(°) 倾角/(°) k 分布 a 最大/m 最小/m
    1 Fisher 120 90 200 power-law 4 2.0 1.2
    2 30 20 500 4 2.0 1.2
    3 70 45 500 3.2 2.0 1.2
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    表  4  断续节理岩体峰值强度和弹性模量估算

    Table  4.   The estimated TCS and elastic modulus of jointed rock masses

    节理密度/
    (m2/m3)
    Jv
    (条·m-3)
    GSI mb S a σ1/
    MPa
    E0/GPa
    PFC3D H-B H-D1 H-D2
    0.0 0.0 90 11.89 0.329 0.501 59.8 2.10 97.74 4.47 2.01
    0.5 1.59 75 6.96 0.062 0.505 33.2 1.34 39.11 3.47 1.46
    2.0 9.87 52 3.06 0.005 0.530 16.7 0.49 10.41 1.73 0.73
    4.0 12.57 50 2.85 0.004 0.534 15.8 0.355 9.27 1.54 0.65
    6.0 17.98 47 2.56 0.003 0.542 14.4 0.152 7.80 1.27 0.53
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    表  5  三轴加载试验含断续节理岩体峰值状态的弹性能估算值

    Table  5.   The estimated elastic energy in the peak stress of jointed rock mass under the triaxial loading

    节理密度/
    (m2·m-3)
    弹性能/106J
    PFC3D 式(9)* 式(2)
    0 6.958 5.470 4.760
    0.5 2.901 2.288 2.777
    2 0.918 1.121 0.754
    4 0.864 1.117 0.742
    6 0.450 1.139 0.320
    *:使用式(9)估算时峰值强度采用H-B准则估算,弹性模量采用H-D准则估算;*:使用式(2)估算时峰值强度和弹性模量均使用PFC3D的模拟结果
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  • 收稿日期:  2019-11-27

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