GEO5土坡模块采用Hoek-Brown准则计算岩坡稳定性的方法

       GEO5 2023版支持在土坡模块中采用Hoek-Brown经验公式，输入岩石材料参数，计算岩质边坡稳定性。

1、Hoek-Brown准则

       岩体是由岩块和结构面组成的地质体，岩体强度既与岩块和结构面的强度相关，也受其组合形式控制。对于大型项目，岩体强度的确定可以采用现场原位试验获得；而一般项目，则是通过现场调查得到的地质资料结合室内试验进行综合评估。Hoek-Brown准则就是在大量的岩石试验基础上，基于地质强度指标法（GSI），建立的岩体强度与地质条件中的某些因素间的经验关系，可以表示为：

       其中，是破坏时最大主应力，是破坏时最小主应力，为完整岩块的单轴抗压强度，为岩体材料参数，与岩石性质有关，S和a为与岩体结构特征有关的材料参数。

       在确定地质强度指标GSI的基础上，、S、a三个参数可以表示为估算公式：

       其中，为完整岩石的材料强度参数，取值范围为0~35，严重破碎岩体取0，坚硬完整岩体取35；GSI为地质强度指标，由岩体不连续结构面性质和岩体构造确定，取值范围为0~100；D为岩体开挖扰动系数，受爆破及应力松弛的扰动影响，取值范围为0~1，0表示岩体未收到扰动影响，1表示岩体受到最大程度影响。

2、GEO5中输入Hoek-Brown参数的方法

       在2023版的GEO5土坡模块中，允许用户在岩土材料中采用两种方式输入Hoek-Brown参数，一种方式是直接输入、S、a三个参数，另一种是通过GSI参数确定，那么输入GSI、D、三个参数。

       不管采用何种方法输入Hoek-Brown参数，都需要统一输入岩体的天然重度、饱和重度和岩石单轴抗压强度。

图1：选择“输入”，直接输入、S、a等参数

图2：选择“由GSI参数确定”，输入GSI、D、等参数

3、案例说明

       某岩质边坡高约10m，坡面倾角约30°，岩体结构面发育，坡体呈碎裂状，根据现场地质调查，确定岩体Hoek-Brown参数，S=0.000026，a=0.62。岩体天然重度20kN/m³，饱和重度22 kN/m³，岩石单轴抗压强度为30MPa。

       根据以上参数在GEO5中建立计算模型，并输入相关材料参数。

图3：计算模型

       采用Janbu法进行滑面的自动搜索，得到滑面最小安全系数1.49。

图4：稳定性计算结果

       GEO5采用Hoek-Brown参数计算岩体边坡稳定性的本质，是将相关的参数转化为了Mohr-Coulomb准则所用的内摩擦角和粘聚力参数，然后按极限平衡方法计算得到最终的结果。

       根据Hoek在2002年提出的方法，、S、a三参数可以按如下方法转化为内摩擦角和粘聚力：

       参考以上公式，本案例Hoek-Brown参数等效为Mohr-Coulomb参数后，内摩擦角为26.58°，黏聚力为13.24kPa。

       重新指定Mohr-Coulomb材料参数后，原边坡稳定性计算安全系数为1.49，跟采用Hoek-Brown材料参数计算结果一致。

图5：换算为Mohr-Coulomb材料参数后的计算结果