Hoek-Brown強度(破壞)準則是岩石力學中用於預測岩石破壞的經驗應力面。 Hoek-Brown標準的原始版本是由Evert Hoek和E. T. Brown於1980年開發的，用於地下設施挖掘的設計。 1988年，該標準被擴展為適用於邊坡穩定性和露天採礦工程。 2002年對該標準進行了更新，其中包括模型參數與地質強度指數（GSI）之間相關性的改進。Hoek-Brown準則的基本思想是從完整岩石的性質開始，並添加係數來折減這些性質，存因岩石中存在接縫。儘管在1936年已經為混凝土制定了類似的標準，但Hoek-Brown標準為設計工程師提供了重要的工具，即對應力狀態與Bieniawski岩體等級（RMR）之間關係的量化。Hoek-Brown破壞準則在採礦工程設計中被廣泛使用。
1. H-B強度準則原理與主要發展歷程
H-B強度準則最早出現在1980年E.Hoek和E.T. Brown聯合編寫的 "岩石地下開挖" 一書中，基本目的是輸入現實中易於獲得的參數即可估計大尺度節理岩體的峰值強度，説明礦山坑道開挖’支撐及岩體面保護設計時所需要的岩體強度估計。 具體表示式為：
式 1
Hoek-Brown 強度準則
s1’s3岩石破裂時的最大主應力和最小主應力；
sci為岩樣的單軸抗壓強度；
st岩體抗拉強度；
m和s為材料常數，m反映岩石的軟硬程度，取值範圍0~25，理想完整堅硬岩體取25；s表示岩體破碎程度，取值0~1，其中0是極破碎岩體，1 是理想完整岩石；
sn’ t 分別表示有效的正應力和切應力。
由於裂隙條件作用，岩體力學特性可具有明顯的尺寸相關性，這是物理實驗難以克服的現實問題。 由於當時沒有估計岩體強度的合適方法，因此H-B準則的特別意義是建立勘察和室內試驗等常規性工作成果與大尺度岩體的力學參數取值之間的聯繫。
最初的H-B強度準則適合於對含三組相互垂直節理岩體的參數估計，且假定節理面新鮮粗糙、無充填，岩塊之間咬合狀態良好，岩體力學特性受結構面控制，岩塊不發生破壞。 此外，初始H-B強度準則理論的形成主要是來源於對完整性較好的硬質岩石的認識與總結，這是後期將H-B準則推廣至軟弱破碎岩體時出現的適用討論性論證和予以準則修正的根源所在。
截止到2013年，H-B強度強度準則主要發佈了8次版本更新。 其中，Hoek等人於1994首次提出滿足不同品質條件岩體應用的「通用版」即廣義H-B強度準則：
式 2
岩石破碎程度有關的常數，前者mb破碎程度比後者mi要嚴重。
"通用版"是1990年與1992年版H-B準則的綜合，以RMR=25為界分為兩種情形，RMR大於25時採用90版準則，反之，採用92版。 這一階段的另一重要變化是提出GSI概念用於替代RMR，解決了RMR在軟弱或破碎岩體中應用時的不適應性問題，此外，這一階段改變了邊坡岩體力學性質受工程擾動的考慮方法，即擾動導致力學性質的變化由GSI取值差異來體現，旨在避免原版處理方式的隨意性。
2002年版H-B準則具有里程碑意義，Hoek全面審視了H-B準則參數取值原則和方法，並引入了擾動因數D以描述施工擾動如爆破損傷等對岩體力學性質的影響：
式 3
如何針對工程實際合理確定單軸抗壓強度σc、岩性指標mi、地質強度指標GSI是H-B準則工程應用的關鍵所在。在上述四個指標中，σc是岩體工程實踐需通過試驗獲取的基本指標。應留意到，在H-B強度準則和取值方法中，σc指天然岩石試樣的單軸抗壓強度。
2. H-B強度準則的適用條件
HB強度準則存在一定適用條件。 總體而言，該準則仍然基於連續介質力學，主要描述岩體峰值強度特徵。 因此，主要適用條件包括：
各向同性岩體：HB強度準則在工程應用過程的前提是要求岩體可近似視為’各向同性介質’，最理想的情形是對發育有三組正交節理硬質岩體峰值剪切強度的經驗估計;
1 岩體特性：雖然HB取值方法和強度準則被延伸應用到非常軟弱岩體中，但仍然存在一定缺陷;
2 破壞機制：HB取值方法和強度準則適合於岩體發生剪切破壞的情形，當圍壓水平相對很低接近於零時，該準則的應用將可能存在較大誤差，這是因為此時岩體的破壞機制很可能演變為張性，岩體非連續性特性對岩體行為開始起到控制作用;
3 施工因素：引入損傷因子D後可以幫助確實描述應力鬆弛或爆破鬆動岩體的力學特性和相應的參數值變化，但其理論合理性與最新研究成果之間存在一定的偏差。
H-B理論的適用性需結合實踐進行特定分析，特別涉及到岩體複雜力學特性的認識和描述。
3. 基於H-B準則的岩體力學參數取值
H-B強度準則系統性建立了室內試驗、常規勘察成果與現場大體積岩體力學參數間的聯繫，而即便是工程技術研究發展至今，岩體工程相關規程規範和計算分析都大量採用M-C強度準則(Mohr-Coulomb強度準則)。 因此，基於H-B準則進行M-C強度參數取值研究一直是岩體工程行業內的工作方向之一。 以H-B強度包絡線為物件，對某個圍壓作切線（切線強度）、或在兩個圍壓段間作割線（割線強度）得到的這些直線可以認為是採用M-C準則對岩體強度的等效描述，由此可以建立這兩種強度準則之間的關係。
M-C強度準則參數取值的工程意義
H-B強度準則合理描述了岩體力學參數的非線性特性，決定M-C強度參數取值和圍壓條件密切相關，具體表現為當對H-B準則曲線在不同圍壓水準或圍壓區間作切線或割線時，相應的等效M-C強度參數c、φ隨圍壓增加分別呈現增大、減小的變化趨勢，此即為岩體強度參數的“圍壓效應”現象。
岩體強度固有的“圍壓效應”性質決定基於M-C準則對H-B準則等效描述的岩石力學意義和工程適用性。等效M-C參數取值圖表示對H-B強度包絡線作切線或割線得到的M-C強度包絡線及其兩者之間的關係。割線強度的特點是當岩體圍壓處在A、C區間時，岩體強度存在被高估的現象，在B範圍內，割線強度與H-B強度基本相當；切線強度是針對指定圍壓直接對H-B準則做切線擬合的結果，其強度整體要高於H-B強度，因此，Hoek建議在工程實踐中應對切線強度作必要的“折減處理”。
因此;依據工程類型進行圍壓水準或範圍的合理選擇是針對H-B準則的M-C強度參數等效取值與工程應用的關鍵所在。對深埋隧道這類單體結構規模有限的地下工程而言，工程範圍內應力差異不大，易於確定與H-B強度條件基本一致的等效M-C強度參數選取應採用的應力水準或範圍（圖1B區）；對規模相對較大的工程物件如高邊坡而言，不同工程部位的應力差異可以非常顯著，此時需特別考慮圖中A、C區所指示的低地應力、較高應力狀態對現實岩體強度的高估現象的處理。(高速公路內湖段坍方參考)
等效M-C強度準則的參數取值方法
依據John Bray對H-B強度準則推導獲得的M-C強度準則的定義， Hoek等人初次于1983年建立了式(1)所描述H-B強度準則的M-C切線峰值強度參數的換算方法，即在σn-t平面應力空間內就某一給定法向應力σn作切線，相應的斜率和截距即為等效M-C強度參數：
式 4
式中，
,
ci、φi分別為M-C準則對應指定圍壓σni的粘結力與摩擦角。Hoek同時強調式(4)特別適用於隧道等工程範圍內應力變化不大的深埋地下工程。
1997年，Hoek針對H-B強度準則關係式(2)更新了M-C等效強度參數換算的定義，同時提出了切線強度與割線強度的取值方法：
式 5
切線強度：
割線強度：
式中，A、B、k是通過對式(2)進行三軸應力點取樣(σ1、σ3)及擬合可以確定的計算參數，σtm、σcm為H-B抗拉和抗壓強度，如
。
更新後換算關係式(4)、(5)特別注重了圍壓作用，分別適用於地下洞室和邊坡工程。Hoek補充建議：當採用等效M-C切線強度時，應對粘結力ci作0.75倍的折減處理以弱化切線強度定義對實際強度的高估現象；同時就割線強度參數取值應採用的圍壓範圍給出了明確建議，即0<σ3 0="" 25="" c="" span="" style="font-family:, serif" data-mce-style="font-family: , serif;">。
2000年，H-B強度準則在工程實踐中已得以大量應用，Hoek依據經驗分析與理論研究更新了等效M-C割線強度參數取值定義即式(5)的圍壓選擇範圍，同時將割線強度的適用性拓展至隧洞工程：
深埋隧道（埋深>30m）：0<σ3 0="" 25="" c="" p="">
淺埋隧道（埋深<30m）或邊坡：0 3="" v="" p="">
式中，σv=γ H，γ表示岩體重度，H為隧洞埋深或邊坡內破壞面的平均埋深。
2002年，Hoek依據利用式(3)再次對等效M-C準則割線強度取值的定義進行了更新，得到最新版本換算關係式：
式中，σ3n=σ3max/σc，用於體現圍壓條件對M-C等效強度參數的作用。σ3max為待定參數，Hoek等人採用極限平衡法針對隧洞和邊坡這兩類典型工程物件進行了大量的計算分析，建議σ3max採用下式定義：
隧洞
邊坡
其中，H表示隧洞埋深或邊坡坡高，σcm為由H-B準則定義的岩體單軸抗壓強度：
4. 結論
岩體力學參數取值是工程建設過程中的關鍵環節之一，取值方法及結果的合理性對圍岩穩定性研究及支撐岩面保護設計至關重要。基於Hoek-Brown強度準則的參數取值方法在目前國際範圍內已得到普遍應用，該方法的理論系統性和針對深埋工程實踐的合理性也逐漸被國內岩體工程行業所認識與接受。H-B強度準則規範綜合考察了岩性、圍岩品質、圍岩應力這三個關鍵性地質因素對岩石力學特性的影響，與規範方法相比，更為全面地考慮了地質因素的多樣性及其導致力學參數取值的差異性。
限會員,要發表迴響,請先登入
