基于Hoek-Brown強度準則的高應力判據理論分析

王成虎

（中國地震局地殼應力研究所，北京 100085）

如何看待巖體強度和巖體中的應力之間的相對關系已經成為地下工程設計和建設過程中首要的基礎工作之一。在工程實踐中，原地應力測量是在工程巖體中展開的，現場實踐又受到巖體質量明顯的影響，因此，對原地應力狀態的評價必須從巖體的角度來考慮。對于地下工程，導致巖體變形破壞的主要因素是巖土體內的開挖擾動，而開挖擾動引起了初始應力場的二次分布，地下結構的穩定性主要受二次應力場的控制。評價一個工程區的初始應力狀態是否高，應定量評價原始應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度理論。對一個工程區的初始應力狀態的評價，就轉化成為分析擬建地下結構周圍巖體的強度在二次應力場作用下，滿足巖體強度理論時會產生什么樣的結果。

鑒于Hoek-Brown經驗強度理論及由其延伸出來的巖體強度估算方法在國內外都得到了廣泛的認可，故將按照上面所提出的技術思路基于Hoek-Brown強度理論詳細闡述高地應力評價指標體系的力學原理，Hoek-Brown強度準則如公式（1）所示。

Jaeger和Cook曾指出，工程場區的遠場應力狀態應滿足如下公式：

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

在這里要推導出適合于絕大多數巖體應力狀態評價準則，故應采用極限平衡破壞狀態的巖體強度與巖體中最大主應力的比值的上邊界，即當σm/σ1<0.5時，便認為巖體中的應力對巖體穩定性發生了很大的影響，有非常大的可能性會導致巖體失穩，這種狀態即可定義為高應力狀態。而在實際工程實踐中，開挖作業會在圍巖體中產生二次應力場，如果我們再考慮了地下應力構筑物周邊出現應力集中現象，就可以得到進行原地應力狀態評價的具體指標和步驟，如表1所示。

表1 巖體強度應力比地應力評價指標

為了更好地驗證以上所提出的工程區高應力評價判據和方法，收集了一些國內外公開發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，發現該評價指標應用效果良好。

本文提出的原地應力評價分級標準針對的是一個普適性略顯保守的分級標準，因而其他工程實踐中使用時也有可能出現評級略有差別的情況，這時就要結合圍巖穩定性分析對原地應力狀態再進行深入研究。