准脆性材料试件应变软化尺度效应理论研究

研究了由于剪切局部化而引起的试件长度的尺寸效应，基于可以考虑微结构相互作用的非局部理论，得到了非局部塑性剪应变与局部塑性剪应变及其二阶应变梯度的关系，通过获得剪切带内部的塑性剪切应变，得到了岩样轴向的平均应变与位移的理论关系，研究结果表明，这一关系具有尺寸效应，随着试件高度的增加，应力-应变曲线变陡，当试件高度非常大时，发生Ⅱ类变形行为，而且，随着剪切带倾角的增加，应力-应变曲线也变陡，将理论结果与前人的试验结果进行了比较，结果表明吻合良好。     

基于应变梯度理论的岩石试件剪切破坏失稳判据

研究了由于剪切局部化而引起的岩样系统的失稳判据。将剪切带比拟为“试件”，而带外弹性体则被比拟为“试验机”。岩样系统是否将发生剪切失稳破坏，关键取决于：岩样高度、剪切弹性模量、剪切降模量、岩石材料内部长度参数及剪切带倾角。一旦岩样系统满足Ⅱ类变形的条件，则岩样系统必发生剪切失稳破坏。采用笔者提出的理论公式，可以用来分析和预测矿柱岩爆的倾向性。根据剪切应变梯度塑性理论来分析岩样单轴压缩剪切破坏问题的优越性在于：不仅考虑了局部化带的宽度，得到了局部化带内应变的分布规律，而且局部化带就是剪切带，比较符合岩样单轴压缩破坏的实际情况。     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

考虑应变率及应变梯度效应的断层岩爆分析

从理论上研究了考虑应变率效应及微小结构相互影响的断层带．弹性岩石系统的剪切不稳定性。在经典弹-塑性理论的屈服函数中引入应变梯度及考虑应变率效应的函数。将断层岩爆简化为一维动态剪切问题，利用：局部塑性剪应变的对称性；在断层带的边界上，其应变值为零；断层带的宽度由塑性剪切应变取极值来确定等条件，得到了断层带内部的局部塑性剪切应变及局部塑性剪切位移，二者都随应变率的增加而趋于明显增加。同时，还得到了应变软化阶段系统结构响应的理论表达式。令峰后刚度为无穷大，则可得到岩爆发生的临界加载应变率，该参数不仅与岩石材料的本构参数有关，而且还与岩石结构的几何尺寸(即弹性区域的尺寸)有关。应变率增加使断层．弹性岩石系统容易发生失稳回跳。此外，若不考虑应变率效应，则本文的理论结果可以退化为对断层岩爆的静力分析结果。     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

考虑水致弱化及应变梯度的断层岩爆分析

研究了岩石含水量对断层．围岩系统稳定性及岩爆(冲击地压)对韧性断层变形的影响。含水量不仅影响岩石强度，也对应力．应变曲线应变软化阶段斜率有影响。基于梯度塑性理论和水致弱化函数，得到了剪切带内部的塑性剪切应变、总剪切应变及塑性剪切位移的分布规律。此外，还得到了不同含水量时剪力．塑性剪切位移的关系。研究结果表明：随着岩石含水量的增加，塑性剪应变降低，塑性剪切位移降低；含水量越大，则弹性阶段越短，耗散势能越小，外力功越小，断层岩爆释放的弹性能量也越小；岩石的含水量增加，则断层．围岩系统不容易发生失稳。     

样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论，局部化带的尺寸由特征长度确定，得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明：剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和；轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比，其比例系数与剪切带倾角有关；轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量；当流动应力为0时，剪切带消耗的能量达到最大值；轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和；增加剪切带倾角，侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力，剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸，因此，不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”，将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论，可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上的失稳判据，结果表明，二者是相同的。失稳判据不仅和岩石材料的自身特性有关，还和岩石试件的结构尺寸相关。     

岩样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论,局部化带的尺寸由特征长度确定,得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明:剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比,其比例系数与剪切带倾角有关;轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量;当流动应力为0时,剪切带消耗的能量达到最大值;轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;增加剪切带倾角,侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力,剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸,因此,不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”,将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论,可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上     

岩石试件端面摩擦效应及参数敏感性研究

试件端面摩擦效应直接影响试件内的塑性等效应变、剪切带的分布。运用ANSYS中的接触单元模拟了平面应变状态下端面摩擦效应对塑性等效应变、剪切带的影响 ,得到了不同摩擦系数时塑性等效应变及剪切带的渐进变化形式。当接触面摩擦较小时 ,塑性等效应变图案为上下两个X形网络 ;当接触面摩擦增大时 ,塑性等效应变网络向中部靠拢并且明显增多 ;当试件端面侧向位移被限制 ,即摩擦力很大时 ,塑性等效应变网络变为一个X形局部化带。剪切带图案与塑性等效应变图案相似 ,变化过程一致。还进行了接触刚度和剪胀角的敏感性分析。     

岩石材料应变软化尺寸效应的实验和理论研究

采用同直径不同高度的砂岩试件进行岩石全程应力－应变试验，发现了砂岩的应变软化尺寸效应，即峰值强度后随着试件高度增加，岩石脆性增大。对这一试验结果，采用梯度塑性理论进行分析，理论解和试验值取得了较好的一致性。     

考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

Considerations of rock dilation on modeling failure and deformation of hard rocks-a case study of the mine-by test tunnel in Canada

For the compressive stress-induced failure of tunnels at depth, rock fracturing process is often closely associated with the generation of surface parallel fractures in the initial stage, and shear failure is likely to occur in the final process during the formation of shear bands, breakouts or V-shaped notches close to the excavation boundaries. However, the perfectly elastoplastic, strain-softening and elasto-brittle-plastic models cannot reasonably describe the brittle failure of hard rock tunnels under high in-situ stress conditions. These approaches often underestimate the depth of failure and overestimate the lateral extent of failure near the excavation. Based on a practical case of the mine-by test tunnel at an underground research laboratory (URL) in Canada, the influence of rock mass dilation on the depth and extent of failure and deformation is investigated using a calibrated cohesion weakening and frictional strengthening (CWFS) model. It can be found that, when modeling brittle failure of rock masses, the calibrated CWFS model with a constant dilation angle can capture the depth and extent of stress-induced brittle failure in hard rocks at a low confinement if the stress path is correctly represented, as demonstrated by the failure shape observed in the tunnel. However, using a constant dilation angle cannot simulate the nonlinear deformation behavior near the excavation boundary accurately because the dependence of rock mass dilation on confinement and plastic shear strain is not considered. It is illustrated from the numerical simulations that the proposed plastic shear strain and confinement-dependent dilation angle model in combination with the calibrated CWFS model implemented in FLAC can reasonably reveal both rock mass failure and displacement distribution in vicinity of the excavation simultaneously. The simulation results are in good agreement with the field observations and displacement measurement data.     

基于梯度塑性理论的岩样单轴压缩扩容分析

采用梯度塑性理论，对岩样剪应变局部化引起的扩容进行了理论分析。假设岩石的剪切本构关系为弹性-应变软化双线性，局部化启动于应力峰值强度，利用局部塑性剪应变与局部塑性体积应变的线性关系，得到了局部塑性体积应变、局部塑性体积增量及剪胀引起的剪切带总塑性体积增量的解析式，这体现了该理论在研究剪胀问题时的优越性。另外，还得到了弹性阶段及应变软化阶段的轴向应力-体积应变曲线的理论关系。塑性体积应变是专指由剪切带剪胀而引起的，因而，轴向应力．体积应变不具有尺寸效应，与局部化带的尺寸无关，但扩容角、剪切降模量及泊松比却对该曲线有重要影响。在弹性阶段及应变软化阶段轴向应力-体积应变均呈线性。在相同的应力水平下，扩容角越大则剪胀程度越大；剪切降模量越大，剪胀程度越小。在应变软化阶段，泊松比不影响塑性体积应变。     

岩石剪胀角模型与验证

Mohr-Coulomb模型和基于Mohr-Coulomb的应变软化模型均通常假设剪胀角为恒定值,然而这种假设不能正确表达岩石在破坏变形过程中的非线性体积变化行为。根据7种岩石类型在不同围压条件下的体积应变测量数据,结合塑性力学理论,采用非线性拟合方法建立能同时考虑围压和塑性剪切应变影响的剪胀角模型。分析模型的响应并结合岩石内部颗粒尺寸以及单轴抗压强度,将该模型划分为4种岩石类型:粗粒径硬岩、中粒径硬岩、中–细粒径软岩和细粒径软岩。根据FLAC应变软化模型中非关联塑性流动法则的计算原理,推导剪胀角模型中的塑性剪切应变与应变软化模型中塑性参数的关系,将剪胀角模型嵌入应变软化模型中,构建剪胀角模型模块。最后,采用建立的剪胀角模型预测Moura煤岩在三轴压缩条件下的体积应变–轴向应变关系曲线。研究结果表明,数值模拟与试验结果具有很好的一致性。     

地下工程岩体剪胀与锚杆支护的相互影响

 探讨隧道开挖边界附近的岩体剪胀对全长黏结式锚杆轴力分布的影响,区分依赖围压和塑性剪切应变的岩体剪胀与恒定的岩体剪胀对锚杆支护作用影响的差异性,分析锚杆对岩体膨胀的抑制作用。研究结果表明,对于恒定的剪胀角值,锚杆轴力随着剪胀角的增加而增加,且梯度亦随之增加,但其不能反映剪胀对隧道围压和岩体塑性变形的依赖关系,从而低估锚杆在低围压区域内遭受的张拉荷载,并高估高围压区域的所受的张拉荷载。由剪胀角模型计算得出的锚杆轴力分布突显锚杆在低围压环境下承受的较大张拉荷载状态,以及围压增加导致其轴力快速降低的行为趋势,能够合理反映锚杆在地下工程应用中的力学行为。由于锚杆支护增加岩体围压,抑制高剪胀区的扩展,从而减小隧道围岩的变形。在地下工程支护设计中,应重点支护紧邻开挖面低围压环境的岩体以有效地控制其破坏和膨胀变形。     

COMPLETE STRESS- STRAIN BEHAVIOR FOR SHEAR FAILURE OF ROCKS

COMPLETE STRESS- STRAIN BEHAVIOR FOR SHEAR FAILURE OF ROCKS     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。