基于Hoek-Brown强度准则的高应力判据理论分析

王成虎

（中国地震局地壳应力研究所，北京 100085）

如何看待岩体强度和岩体中的应力之间的相对关系已经成为地下工程设计和建设过程中首要的基础工作之一。在工程实践中，原地应力测量是在工程岩体中展开的，现场实践又受到岩体质量明显的影响，因此，对原地应力状态的评价必须从岩体的角度来考虑。对于地下工程，导致岩体变形破坏的主要因素是岩土体内的开挖扰动，而开挖扰动引起了初始应力场的二次分布，地下结构的稳定性主要受二次应力场的控制。评价一个工程区的初始应力状态是否高，应定量评价原始应力场是否会造成岩体的变形破坏，而岩体的变形破坏基本都遵守岩体强度理论。对一个工程区的初始应力状态的评价，就转化成为分析拟建地下结构周围岩体的强度在二次应力场作用下，满足岩体强度理论时会产生什么样的结果。

鉴于Hoek-Brown经验强度理论及由其延伸出来的岩体强度估算方法在国内外都得到了广泛的认可，故将按照上面所提出的技术思路基于Hoek-Brown强度理论详细阐述高地应力评价指标体系的力学原理，Hoek-Brown强度准则如公式（1）所示。

Jaeger和Cook曾指出，工程场区的远场应力状态应满足如下公式：

式中：μ为岩体摩擦系数，取值范围为0.6～1.0。令μ分别为0.7、0.80、0.90，进行式（1）、（2）的运算，同时利用岩体强度σm代替岩石单轴抗压强度σci开展相应的力学分析。分析结果显示，处于破坏极限平衡状态的岩体强度与岩体中最大主应力的比值σm/σ1范围在0.7～0.05之间，数值范围0.5～0.1基本可以覆盖绝大多数处于极限平衡破坏状态的岩体强度与岩体中最大主应力的比值。

在这里要推导出适合于绝大多数岩体应力状态评价准则，故应采用极限平衡破坏状态的岩体强度与岩体中最大主应力的比值的上边界，即当σm/σ1<0.5时，便认为岩体中的应力对岩体稳定性发生了很大的影响，有非常大的可能性会导致岩体失稳，这种状态即可定义为高应力状态。而在实际工程实践中，开挖作业会在围岩体中产生二次应力场，如果我们再考虑了地下应力构筑物周边出现应力集中现象，就可以得到进行原地应力状态评价的具体指标和步骤，如表1所示。

表1 岩体强度应力比地应力评价指标

为了更好地验证以上所提出的工程区高应力评价判据和方法，收集了一些国内外公开发表的工程实例来展示该方法体系的可行性和可靠性，通过对比分析，发现该评价指标应用效果良好。

本文提出的原地应力评价分级标准针对的是一个普适性略显保守的分级标准，因而其他工程实践中使用时也有可能出现评级略有差别的情况，这时就要结合围岩稳定性分析对原地应力状态再进行深入研究。