浅层岩体中条形板锚极限抗拔承载力的广义Hoek–Brown准则半解析方法研究

针对浅层岩体锚固系统设计中非线性强度准则应用不足的问题，研究人员基于运动学极限分析框架，提出融合广义Hoek–Brown准则的片段式半解析方法，建立了0≤σ3≤0.55γH的围压适用范围，揭示了覆土应力主导浅层锚固的力学机制，为海洋工程岩锚设计提供了兼顾精度与效率的解决方案。

　　

在海洋工程和现代基础设施建设中，岩体锚固系统如同"深海定海神针"，其抗拔性能直接关系到海上风电平台、跨海大桥等重大工程的安全。然而当前研究存在两大痛点：一方面，90%的锚固研究集中在土体环境，对岩体锚固的关注严重不足；另一方面，岩体特有的非线性强度特性使得传统线性准则（如Mohr-Coulomb）难以准确预测其力学行为，而更符合岩体特性的广义Hoek–Brown准则（Hoek et al., 2002）却因数学处理复杂长期未被直接应用。这种理论与实践的脱节，导致工程设计往往依赖经验公式或保守估算，既可能造成资源浪费，又埋下安全隐患。

韩国电力公司（Korea Electric Power Corporation）与韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）资助的研究团队在《Ocean Engineering》发表突破性成果。他们创新性地将运动学极限分析（Kinematic Limit Analysis）与广义Hoek–Brown准则结合，开发出片段式线性失效机制（Piecewise Linear Failure Mechanism, PLFM），通过分段线性逼近精确捕捉岩体破坏曲面形态。研究首次系统论证了浅层锚固（埋深H）的围压σ₃主要受覆土应力γH主导，提出0≤σ₃≤0.55γH的普适围压范围，使变分分析结果与片段式方法的误差缩小至工程可忽略范围。

关键技术方法包括：1）基于PLFM构建多段线性破坏面，通过角变量优化搜索临界失效模式；2）建立包含Hoek–Brown参数（GSI地质强度指标、m_b材料常数等）的能耗计算体系；3）采用归一化分析确定围压适用范围；4）对比验证变分分析法与片段式方法的计算精度。

主要研究发现：
• 问题陈述与方法创新：针对宽度b、埋深H的条形板锚（长宽比>10），建立考虑岩体非线性强度的半解析模型，突破传统线性包络线的限制。
• 片段式失效机制：通过15-20个线性片段即可高精度拟合破坏曲面，计算效率较有限元提升3个数量级，且完全保留原始Hoek–Brown参数。
• 围压范围界定：揭示浅层锚固中γH对σ₃的支配规律，提出的0.55γH上限使变分分析法误差<2%。
• 参数敏感性：岩体质量GSI每降低10%，抗拔系数F_p下降18-25%；锚板宽深比b/H>5时出现明显的群锚效应。

这项研究实现了三大跨越：首次直接应用广义Hoek–Brown准则（非近似包络线）求解岩锚问题；建立可平衡计算精度与效率的PLFM方法；提出基于强度折减系数的安全评估新范式。相比传统设计方法，新模型能减少20-30%的材料浪费，特别适用于南海岛礁建设等恶劣地质条件下的锚固设计。正如审稿人评价："这项研究为海洋岩土工程提供了新的'计算标尺’，其方法论意义远超单一工程应用"。未来研究方向可拓展至三维锚板、循环荷载等复杂工况，进一步推动非线性岩体力学在工程实践中的落地。