Una breve historia del desarrollo del criterio de rotura de Hoek-Brown

Evert Hoek1 y Paul Marinos2Noviembre 2006

El criterio inicial de rotura de Hoek-Brown fue desarrollado durante la preparación de los libros Las excavaciones subterráneas en la roca por E. Hoek y ET Brown, publicado en 1980.

El criterio se requiere para proporcionar información de entrada para el diseño de Excavaciones subterráneas. En ausencia de métodos adecuados para estimar la fuerza del macizo rocoso, este parecía estar disponible en ese momento, los esfuerzos se centraron en el desarrollo de una ecuación adimensional que podrían ampliarse en relación con la información geológica. La ecuación original de Hoek-Brown no era nueva ni única - tenía una ecuación idéntica, utilizada para describir el fracaso de hormigón tan temprano como 1936.

La importante contribución que Hoek y Brown hicieron fue vincular la ecuación para Observaciones geológicas. Se reconoció muy temprano en el desarrollo del criterio que no tendría ningún valor práctico a menos que los parámetros puedan ser estimados a partir de observaciones geológicas simples en el campo. La idea de desarrollar una "clasificación" para este propósito específico fue discutida pero, desde RMR de Bieniawski se había publicado en 1974 y había ganado popularidad con la comunidad de la mecánica de rocas, se decidió a utilizar esto como el vehículo fundamental para la entrada geológica.

Para 1995 se había convertido en cada vez más obvio que RMR de Bieniawski es difícil de aplicar a macizos rocosos de muy baja calidad y se consideró un sistema basado en mayor medida que se necesitaban menos observaciones geológicas fundamentales en «números». Esto dio como resultado el desarrollo de la Fuerza Geológico Índice GSI que continúa evolucionando a medida que el principal vehículo para la entrada de datos geológicos para el criterio de Hoek-Brown.

1980 E. Hoek y Brown E.T. 1980. Excavaciones Subterráneas en Roca. Londres: Institución de Minería y Metalurgia.

Hoek, E. y Brown, E.T. 1980. criterio de resistencia empírica para las masas de roca. J. Geotech. EngngDiv., ASCE 106 (GT9), 1013-1035.

El criterio original fue concebido para su uso bajo las condiciones de confinamiento de los alrededores de excavaciones subterráneas. Los datos en los que algunas de las relaciones originales se habían basado vinieron a pruebas con muestras del macizo rocoso del cobre a cielo abierto Bougainvillemina en Papúa Nueva Guinea. La masa de roca aquí es andesita muy fuerte (resistencia uniaxial a la compresión de 270 MPa), con numerosas, las articulaciones sin llenar en bruto limpias. Uno de los conjuntos de datos más importantes fue partir de una serie de ensayos triaxiales realizados por el profesor John Jaeger de la Universidad Nacional Australiana en Canberra. Estas pruebas estaban en 150 muestras mm de diámetro de andesita fuertemente articulado recuperados por el diamante de triple tubo la perforación de uno de los socavones de exploración en Bougainville.

El criterio original, con su sesgo hacia la roca dura, se basa en la suposición que el fracaso masa de roca es controlado por traslación y rotación de las piezas individuales de roca, separados por numerosas superficies articulares. El fallo de la roca intacta supone que no juega ningún papel significativo en el proceso general de fracaso y se asumió que el patrón conjunta fue 'caótica' de manera que no hay direcciones preferidas de fallo y las masas de rocas pueden ser tratados como isotrópico.

1983 Hoek, E. 1983 Fuerza de macizos rocosos fracturados, 23. Conferencia Rankine. Géotechnique 33 (3), 187-223.

Una de las cuestiones que se había molestado durante todo el desarrollo del criterio ha sido la relación entre el criterio de Hoek-Brown, con los parámetros no lineales m y s, y el criterio de Mohr-Coulomb, con los parámetros c y fi. En ese tiempo, prácticamente todo el software de la mecánica de suelos y rocas fue escrito en términos del criterio de Morh-Coulomb. Era necesario definir la relación entre m y s y c y fi con el fin de permitir que el criterio que debe utilizarse para proporcionar la entrada para este software.

Una solución teórica exacta a este problema (para el criterio original de Hoek-Brown) fue desarrollado por el Dr. John. W. Bray en el Colegio Imperial de Ciencia y Tecnología y esta solución fue publicada por primera vez en la conferencia 1983 Rankine. Esta publicación también se ha ampliado en algunos de los conceptos publicados por Hoek y Brown en 1980, que representa el debate más amplio sobre el criterio original de Hoek Brown.

1988 E Hoek y Brown E.T. 1988 El Hoek-Brown criterio de fallo - una actualización de 1988. Proc. 15a Roca canadiense de Mech.

Symp. (ed. J. H. Curran), pp. 31-38. Toronto: Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Toronto.

Para 1988 el criterio estaba siendo ampliamente utilizado para una variedad de problemas de ingeniería de rock, incluyendo análisis de estabilidad de taludes. Como se señaló anteriormente, el criterio fue originalmente desarrollado para las condiciones de confinamiento que rodean excavaciones subterráneas y esta reconoció que dio resultados optimistas para las fallas superficiales en laderas. En consecuencia, en 1998, la idea de las masas no perturbadas y perturbadas se introdujo para proporcionar un método para degradar las propiedades de las masas de roca cerca de la superficie.

Este documento también define un método de uso 1974 la clasificación de Bieniawski RMR para la estimación de los parámetros de entrada. Con el fin de evitar la doble contabilización de los efectos de aguas subterráneas (un parámetro de tensión efectiva en el análisis numérico) y la orientación conjunta (entrada específica para el análisis estructural), se sugirió que la clasificación de las aguas subterráneas siempre debe fijarse en 10 (completamente seco) y la calificación para la orientación conjunta debe siempre ponerse a cero (muy favorable). Tenga encuenta que estas calificaciones se deben ajustar en adelante versiones de RMR de Bieniawski.

1990 Hoek, E. 1990 Estimación de Mohr-Coulomb de fricción y de cohesión valores de la Hoek-Brown criterio de fallo. Intnl. J. Roca Mech. Ciencia y minería. Y Resúmenes de geomecánica. 12 (3), 227-229.

Esta nota técnica aborda el debate en curso sobre la relación entre el Hoek- Brown y el criterio de Mohr-Coulomb. Tres situaciones prácticas diferentes en las que se describió y se demostró cómo la solución de Bray se podría aplicar en cada caso.

1992 Hoek, E., Madera, D. y Shah, S. 1992 A modificaron el criterio de Hoek-Brown para el macizos rocosos fracturados. Proc. caracterización rock, symp. Int. Soc. Roca Mech :Eurock '92, (J. Hudson ed.). 209-213.

El uso del criterio de Hoek Brown ahora se había extendido y, debido a la falta de alternativas adecuadas, ahora se está utilizando en los macizos rocosos de muy baja calidad. Estas masas de roca diferían significativamente de la masa de roca dura fuertemente entrelazada,modelo utilizado en el desarrollo de criterios originales. En particular, se consideró que la resistencia a la tracción finita predicha

por el criterio original de Hoek Brown era demasiado optimista y que necesitaba ser revisada. Con base en el trabajo realizado por el Dr. SandipShah por su Tesis de doctorado en la Universidad de Toronto, se propuso un criterio modificado. Este criterio contenía un nuevo parámetro a que proporcionó los medios para cambiar la curvatura de la envolvente de rotura, en particular en el rango de tensión normal muy baja. Básicamente, elcriterio de Hoek Marrón modificado obliga a la envolvente de rotura a producir cero fuerzas de tracción.

1994 Hoek, E. 1994 Fuerza de masas de roca y roca, ISRM Noticias Diario, 2 (2), 4-16.

1995 Hoek, E., Kaiser, P.K. y Bawden. W.F. 1995 Soporte de metro excavaciones en roca dura. Rotterdam: Balkema

Pronto se hizo evidente que el criterio modificado era demasiado conservador cuando se utiliza para una mejor calidad de las masas de roca y un criterio de fallo 'generalizada' fue propuesto en estas dos publicaciones. Este criterio generalizado incorporado tanto el original como el modificado criterios con un "interruptor" en un valor de RMR de aproximadamente 25 Por lo tanto, para una excelente y aceptable calidad demacizos rocosos, el criterio original de Hoek Castaño se utiliza mientras que, para los pobres y masas de roca extremadamente pobres, el criterio modificado (publicado en 1992) con cero a la tracción se utiliza la fuerza.

Estas publicaciones (que son prácticamente idénticas) también introdujo el concepto de la Índice de Resistencia Geológica (GSI) como reemplazo de RMR de Bieniawski. Se había convertido en cada vez más obvio que RMR de Bieniawski es difícil de aplicar a muy baja calidad masas de roca y también que la relación entre RMR y m y s ya no es lineal en estos rangos muy bajos. También se consideró que en un sistema basado en mayor medidase necesitan más observaciones geológicas fundamentales y menos en «números».

La idea de las masas de roca no perturbadas y perturbadas se cayó y se dejó alusuario decidir GSI qué valor describe mejor los distintos tipos de rocas expuestas en un sitio.

Los parámetros alterados originales se derivan por simple reducción de la fuerza por uno remar en la tabla de clasificación. Se consideró que esto era demasiado arbitrario y se decidió que sería preferible permitir que el usuario decida qué tipo de perturbación está involucraday para permitir que este usuario hiciera su propio juicio sobre la cantidad para reducir el valor GSI para tener en cuenta la pérdida de resistencia.

1997 Hoek, E. y Brown, E.T. 1997. estimaciones prácticos o resistencia del macizo rocoso. Intnl. J. Roca Mech. Ciencia y minería. Y geomecánica Resúmenes. 34 (8), 1165-1186.

Este fue el papel más completo publicado hasta la fecha y que incorpora la totalidad de losrefinamientos descritos anteriormente. Además, un nuevo método para estimar el equivalente Mohr Coulomb ángulo de la cohesión y la fricción, se introdujo en este método el Criterio de Hoek Brown que se utiliza para generar una serie de valores relativos, fuerza axial para confinar presión (o resistencia al corte a la tensión normal) y éstas se tratan como los resultados de unagran escala hipotética en triaxial situ o ensayo de cizallamiento. Un método de regresión lineal se utiliza para encontrar la pendiente y la intersección media y éstos se transforman en una cohesiva c fuerza y un ángulo de fricción fi.

El aspecto más importante de este proceso de ajuste de curvas es decidir sobre el rango de esfuerzos sobre las que el hipotético 'pruebas' in situ deben llevarse a cabo. Esto se determinó experimentalmente mediante la realización de un gran número de estudios teóricos comparativos en que los resultados de los análisis tanto de la superficie y la estabilidad excavación subterránea, utilizando tanto los parámetros de Hoek y Brown Mohr Coulomb, se compararon.

1998 Hoek, E., Marinos, P. y Benissi, M. 1998 Aplicabilidad del índice de resistencia geológica (GSI) de clasificación de macizos rocosos muy débiles y cortados. El caso de la Formación Atenas esquisto. Bull. Engg. Geol. Env. 57 (2), 151-160.

En este trabajo se extiende el rango del Índice De Resistencia Geologica (GSI) a 5 para incluir masas de roca esquisto de calidad extremadamente pobres, como el 'esquisto' encontrado en el excavaciones para el metro de Atenas y las filitas grafíticas encontradas en algunos de los túneles en Venezuela. Esta extensión de GSI se basa en gran medida en el trabajo de Paul Marinos y Maria Benissi en el metro de Atenas. Tenga en cuenta que actualmente hay 2 cartas GSI. El primerode éstos, por mejores masas rocosas de calidad publicados en 1994 y la nueva tabla para muy pobres macizos rocosos de calidad publicados en este documento.

2000 Hoek, E. y Marinos, P. 2000 Predecir Túnel Estrujar. Túneles y Internacional de Túneles. Parte 1 - noviembre de 2000, Parte 2 - Diciembre de 2000.

En este trabajo se presentó una importante aplicación del criterio de Hoek-Brown en lapredicción de condiciones para exprimir túnel,

utilizando un concepto deformación crítica propuesto por Sakurai en 1983.

2000 Marinos, P. & Hoek, E. 2000 De La Geológica a la Misa Modelo Roca: Conducir la carretera Egnatia través de las difíciles condiciones geológicas, Norte de Grecia, Proc. 10a Conferencia Internacional del Consejo Nacional Italiano de Geólogos, Roma.

En este trabajo se pone más geología en el criterio de rotura de Hoek-Brown que la que haestado disponible anteriormente. En particular, las propiedades de las rocas muy débiles se abordan en detalle por primera vez. No hay ningún cambio en la interpretación matemática del criterio en estos documentos.

2000 Hoek, E. y Karzulovic, A. 2000 Propiedades del macizo rocoso para minas a cielo abierto. En Estabilidad de Taludes en Minería a Cielo Abierto (Editado por WA Hustralid, MK McCarter y DJA van Zyl), Littleton, CO: Sociedad de Minería, Metalurgia y Exploración (SME), páginas 59-70.

En este trabajo se repite la mayor parte del material contenido en Hoek y Brown, 1997,pero añade un enfoque en los daños por explosión.

2000 Marinos, P y Hoek, E. 2000 GSI: una herramienta geológicamente amigable para la estimación de resistencia del macizo rocoso. Proc. GeoEng2000, Melbourne.

2001 Marinos. P y Hoek, E. 2001 Estimación de las propiedades geotécnicas de macizos rocosos heterogéneos tales como flysch. Boletín de la Ingeniería Geológica y Medio Ambiente (GIE), 60, 85-92

Estos documentos no aportan nada significativo a los conceptos fundamentales del criterio objetivo de Hoek- Brown pero demuestran cómo elegir rangos apropiados de GSI para diferentes tipos de macizo rocoso. En particular, el documento de 2001 sobre el flysch discutió la dificultad de materiales débiles y tectónicamente alterados en base a la experiencia del autor al tratar con estas rocas en proyectos importantes en el norte de Grecia.

2002 Hoek, E., Carranza-Torres, C. y Corkum, B. (2002) criterio de Hoek-Brown - edición 2002. Proc. NARMS-TAC Conferencia, Toronto, 2002, 1, 267-273.

Este trabajo representa una importante re-exanimación del criterio de Hoek-Brown completo y incluye nuevas derivaciones de las relaciones entre m, s, a y GSI. Un nuevo parámetro D se introduce para abordar el daño por explosión. Las relaciones entre Mohr Coulomb y los Criterios Hoek Brown se examinan para taludes y excavaciones subterráneas y se presentan un conjunto de ecuaciones que vinculan los dos. Las relaciones definitivas se obtuvieron al comparar cientos de túneles y análisis de estabilidad de taludes en el que se utilizaron tanto el Hoek- Brown como los Criterios de Mohr Coulomb y el partido fue encontrado por iteración. Un programa basado en Windows llamado RocLab fue desarrollado para incluir todas estas nuevas derivaciones y este programa se puede descargar (gratis) de www.rocscience.com. Una copia del documento está incluida en la descarga.

2004 Chandler R. J., De Freitas M. H. and P. G. Marinos. 2004. Caracterización Geotécnica De Los Suelos Y Las Rocas: Una Perspectiva Geológica. Documento principal en: Avances en ingeniería geotécnica, La Conferencia Skempton, v1, p. 67-102, Thomas Telford, ICE, Londres.

Una breve contribución en el Índice De Resistencia Geológica dentro de un papel más general en la ingeniería geológica de los suelos y rocas.

2005 V. Marinos, P. Marinos and E. Hoek 2005. Índice de Resistencia Geológica: aplicaciones y limitaciones, Bull. Eng. Geol. Environ., 64, 55-65.

Una discusión sobre el campo de aplicación y las limitaciones de GSI. Las pautas generales para el uso de GSI están dadas.

2005 E. Hoek, P. Marinos and V. Marinos. 2005. Caracterización y propiedades de ingeniería en macisos rocosos sedimentarios tectónicamente inalterados pero litológicamente variados, Revista Internacional de Mecánica de Rocas y Ciencias de la Minería, 42/2, 277-285

Un papel importante en la que se introduce un nuevo diagrama de GSI para macizos rocosos de melaza, la Melaza consiste en una serie de sedimentos tectónicamente inalterados de areniscas, conglomerados, limolitas y margas, producidas por la erosión de las montañas después de la fase final de una orogenia. Se comportan como macizos rocosos continuos cuando son confinados en profundidad y, aun si litológicamente heterogénea, los planos de estratificación no aparecen como superficies de discontinuidad claramente definidos. El documento analiza la diferencia entre estos macizos rocosos y las rocas de tipo flysch que se han visto gravemente alteradas por procesos orogénicos.

2006 Marinos, P., Hoek, E., Marinos, V. 2006. La variabilidad de las propiedades de ingeniería de los macizos rocosos cuantificados por el índice de resistencia geológica: el caso de ofiolitos con especial énfasis en un túnel. Bull. Ing. Geol. Env., 65 (2), 129-142.

El artículo presenta el modelo geológico en el que se desarrollan los complejos ofiolíticos, sus diversos tipos petrográficos y su deformación tectónica, debido principalmente a cabalgamientos. La estructura de los distintos macizos rocosos incluye todos tipos de masivo fuerte a cizallado débil, mientras que las condiciones de discontinuidades son en la mayoría de los casos regular a mala o muy mala debido a el hecho de que se ven afectados por serpentinización y cizallamiento. La serpentinización también reduce la resistencia inicial de la roca intacta. Almohadas de lava asociados y mélanges tectónicas se caracterizan también. Se presenta un gráfico de GSI para macizos rocosos ofiolíticos.

2006 Hoek, E and Diederichs, M.S. 2006. Estimación empírica de módulo del macizo rocoso. Revista Internacional de Mecánica de Rocas y Ciencias de la Minería, de 43, 203-215.

Aunque no está directamente relacionada con el criterio de rotura de Hoek-Brown, el módulo de deformación de un macizo rocoso es un parámetro de entrada importante en cualquier análisis del comportamiento del macizo rocoso que incluye deformaciones. Ensayos de campo para determinar este parámetro directamente se consume mucho tiempo, es caro y la fiabilidad de los resultados de estas pruebas es a veces cuestionable. En consecuencia, varios autores han propuesto relaciones empíricas para estimar el valor del módulo de deformación del macizo

rocoso los sistemas de clasificación. Estas relaciones se revisan y se discuten sus limitaciones. Basándose en datos de un gran número de mediciones in situ de China y Taiwán, se propone una nueva relación entre el módulo de deformación y el GSI. Las propiedades de la roca intacta, así como los efectos de las alteraciones debido a daños por explosión y / o relajación de la tensión también se incluyen en esta nueva relación.

Resumen de ecuaciones

Publicación Cobertura EcuacionesHoek & Brown1980

Criterio original para macizos rocosos fuertemente articulados sin finos. El envolvente de Mohr se obtuvo mediante el ajuste de curva estadística a un número de (’n , pares calculados por el método publicado por Balmer [28].’1 , ’3 son mayores y menores tensiones efectivas principales en el fallo, respectivamente.es la resistencia a la tracción del macizo rocoso.m y s son constantes del material.'n,son tensiones efectivas normales y cortantes, respectivamente.

Hoek1983

Criterio original para macizos rocosos fuertemente articulados sin finos con un debate sobre el fallo anisotrópico y una solución exacta para la envolvente de Mohr por el Dr. JW Bray.

Hoek & Brown1988

Como en Hoek 1983, pero con la adición de las relaciones entre las constantes m y s y una forma modificada de RMR en el que la calificación de las aguas subterráneas se le asignó un valor fijo de 10 y el ajuste de Orientación Conjunta se fijó en 0. También se introdujo una distinción entre macizos rocosos alterados e inalterados junto con medios de estimación de módulo de deformación E (después de Serafim y Pereira).

Macizos rocosos alterados:

Macizos rocosos no alterados o entrelazados:

mb, mi son para la roca quebrada e intacta, respectivamente.

Hoek, Wood &

Shah1992

Modificación del criterio para tener en cuenta el hecho que los macizos rocosos fuertemente articulados tienen cero resistencia a la tracción. Se utilizó la técnica de Balmer para el cálculo de los pares de esfuerzo cortante y normal.

Hoek1994Hoek,

Kaiser &Bawden

1995

Introducción del criterio generalizado de Hoek-Brown, que incorpora tanto el criterio original para la justa a muy mala calidad de macizos rocosos y el criterio modificado para macizos rocosos de muy baja calidad con el aumento de contenido de finos. El Índice de Resistencia Geológica GSI se introdujo para superar las deficiencias en la RMR de Bieniawski para la macizos rocosos de muy baja calidad.La distinción entre macizos rocosos alterados e inalterados fue lanzada en base a que la alteración es inducida generalmente por las actividades de ingeniería y debe permitirse para reducir el valor del GSI.

Para GSI >25

Para GSI < 25

Hoek, Carranza-Torres yCorkum,

2002

Un nuevo conjunto de relaciones entre GSI, mb, s y a es introducido para dar una transición más suave entre macizos rocosos de muy baja calidad (GSI <25) y las rocas más fuertes. También se introduce el factor de alteración D para dar cuenta de relajación de la tensión y el daño por explosión. Las ecuaciones para el cálculo de los parámetros de Mohr Coulomb c y son introducidas para los rangos específicos de la tensión de confinamiento para los túneles y taludes.

Todas estas ecuaciones se incorporan en el programa Windows RocLab que se puede descargar desde el sitio de Internet www.rocscience.com. Una copia del documento completo está incluida en la descarga.

Donde, para túneles

H es la profundidad bajo la superficie

H es la altura de la pendiente

es la unidad de peso del macizo rocoso.Hoek y

Diederichs, 2006

Basado en el análisis de un conjunto de datos de China y Taiwán, se propone una nueva relación entre modulo de deformación de macizos rocosos Erm y GSI. Esto se basa en una función sigmoide y se presentan dos formas de la relación. La ecuación simplificada depende de GSI y D solamente y sólo debe utilizarse cuando no hay información en las propiedades de las rocas intactas disponibles. La ecuación más general incluye el módulo de roca intacta. Se da un medio para estimar este modulo de resistencia de la roca intacta ci, basado en un factor de reducción de módulo MR.

Función sigmoide:

Se simplifica la ecuación de Hoek y Diederichs:

Ecuación de Hoek y Diederichs:

Se estima el módulo de la roca intacta: