岩体非线性特征描述的数值实现及其试验验证

为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体特征,提出了Hoek-Brown非线性破坏准则的数值实现方法,并对岩体进行了三轴压缩试验的数值模拟,验证了数值计算方法的可靠性,分析了非线性破坏准则中各参数对剪切强度参数的影响.结果表明:通过理论推导可确定Mohr-Coulomb准则中的剪切强度参数与Hoek-Brown准则参数之间的关系;随着地质强度指标GSI的增大,岩体的剪切强度参数c和φ均不断增大,粘结力较内摩擦角对岩体地质强度指标的变化更加敏感;二者随完整岩石的岩体常数mi的变化幅度均不大,地质强度指标GSI对岩体强度的影响大于mi.     

基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场

 针对岩体介质非线性破坏特点,采取国际广泛接受应用的建立在地质强度指标(GSI)法基础上的Hoek-Brown屈服准则,建立基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场计算的新方法。首先,根据Hoek-Brown准则确定岩体强度参数;然后,将Hoek-Brown准则不同法向应力水平上的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,用等效内摩擦角和等效黏聚力的Mohr-Coulomb准则代替Hoek-Brown准则;最后,将基于Mohr-Coulomb破坏准则的边坡临界滑动场计算方法进行改进,建立新的迭代方法,获得边坡在满足力与力矩平衡条件下的整体和局部临界滑动面和相应的安全系数。将该方法应用于2个算例和一工程实例边坡的稳定性分析,计算结果表明,该方法既继承了临界滑动场方法快速、准确找到边坡整体局部临界滑动面的优点,又能考虑岩质边坡非线性破坏的特点,更加符合工程实际。     

基于Hoek-Brown破坏准则的均质岩石边坡动力稳定性拟静力分析(英文)

将"外切线法"与强度折减技术相结合,采用拟静力法分析符合非线性Hoek-Brown破坏准则均质岩石边坡的动力稳定性。采用"外切线法"的Hoek-Brown破坏准则的瞬时抗剪强度参数(瞬时内黏聚力ct和瞬时内摩擦角φt)作为变量参数引入稳定性分析过程。采用内点迭代方法对岩坡动力稳定性拟静力安全系数的上限计算表达式进行求解,通过与已有研究成果的对比验证本文方法的有效性和正确性。为便于工程应用,将均质岩坡安全系数Fs与地质强度指标参数GSI之间的关系绘制成图形。     

基于原位试验和规范的岩体抗剪强度与Hoek-Brown准则估值比较

 简要论述目前岩体抗剪强度确定方法,以黄河上游玛尔挡水电站坝基岩体为例,在岩体质量分级基础上,引入规范建议值及现场原位大型剪切试验结果,建立岩体抗剪强度指标与BQ岩体质量分级的相关关系。同时利用实测资料建立BQ与GSI的相关关系,运用Hoek-Brown准则估算各试验点岩体的抗剪强度指标。结果表明,采用该研究成果较符合工程实际,而采用Hoek-Brown准则估算的等效内摩擦因数偏小,黏聚力则偏大很多。误差分析表明,这一结果主要是由Hoek-Brown准则中最小主应力的取值范围引起的,据此提出公式应用中需注意的问题及相应解决方法。     

深埋隧道锚岩体力学参数综合取值研究

深埋岩石工程勘察设计阶段中岩体原位试验工作困难,针对深埋复杂岩体力学参数选取问题,提出在岩体地质分析基础上,综合原位试验和Hoek-Brown准则的岩体力学参数取值方法。该方法首先依据勘探成果分析岩体地质特征,对工程区岩体进行分类,应用Hoek-Brown准则确定各类岩体力学参数并采用经验参数核对校正,确定设计阶段岩体力学参数。最终根据施工开挖揭示地质信息和原位试验,校正设计阶段岩体力学参数。该方法应用于川藏高速公路泸定大渡河特大桥隧道锚区域蚀变二长花岗岩岩体力学参数确定,实例分析表明:岩体原位试验成果离散性大,试验成果难以代表大范围复杂岩体力学参数;Hoek-Brown准则估算岩体内摩擦角与原位试验基本一致,黏聚力则偏高较多,需要采用经验参数校正;复杂岩体力学参数的选取,需在地质分析基础上综合采用各种方法相互验证。     

岩土参数反算在工程应用中的分析

由于岩土体的复杂性和室内外试验的不确定性,在选定物理力学参数时存在许多实际困难,综合考虑各种因素的影响,基于传递系数法来反算边坡稳定性强度参数,选取合理的计算参数对边坡稳定性进行分析。数值分析结果表明,岩土体强度参数内摩擦角φ和黏聚力c对边坡稳定性影响较大,且内摩擦角φ较黏聚力c对边坡稳定性更为敏感。反算分析方法对完善岩体工程问题的设计理论起到重大的指导作用。     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

线性吸力下非饱和土条形地基临界荷载三剪统一解

基于非饱和土抗剪强度三剪统一解,该解充分考虑了中间主应力效应、材料拉压不等特性和强度准则差异对非饱和土抗剪强度的影响,严密推导了基质吸力线性分布下条形地基临界荷载三剪统一解,讨论了中间主应力、有效黏聚力、有效内摩擦角和强度非线性等参数对临界荷载的影响。研究结果表明:在基质吸力均匀分布和线性分布下,临界荷载随着中间主应力的增大呈现线性增大,中间主应力效应对临界荷载具有显著影响;临界荷载随着有效黏聚力的增大呈现线性增大;临界荷载随着有效内摩擦角的增大呈现非线性增大;处理非饱和土强度非线性采用双曲线吸力角的方法二精确但复杂,高基质吸力下基质吸力对强度提高的影响大于对吸力角使强度降低的影响。非饱和土临界荷载三剪统一解包含了多种屈服准则下的计算公式,具有较广泛的适用性,可为实际工程提供一定的参考。     

岩石的非线性统一强度准则

Hoek-Brown强度准则在岩石工程中被广泛采用，但由于它没有考虑中间主应力效应，因而在理论和实际应用上都存在不足之处，综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点，提出一个适用于岩石的非线性统一强度准则，这一准则既考虑岩石拉压强度相差较大的特点，又考虑了中间主应力效应及其区间性。Hoek-Brown强度准则和非线性双剪强度准则在π平面上构成了岩石屈服破坏面的内边界和外边界，它们均为所提准则的特例。岩石的非线性统一强度准则，其子午线是非线性的，其参数与Hoek-Brown准则的参数一致，可以用岩石的常规三轴试验结果按Hoek-Brown提出的回归公式得出，完整岩石能够从常规三轴试验数据预测出不同应力角的破坏极限线，与国内4个单位6种岩石20余组岩石真三轴实验结果对比表明，该准则与实验结果吻合良好，这一准则也可以推广到岩体或节理化岩体。     

考虑中主应力影响倾斜填土面朗肯土压力参数的敏感性分析

挡土墙后填土面为倾斜时,朗肯土压力理论应用很少。经典的各种土压力理论是基于Mohr-Coulomb强度准则得出的,没有考虑中主应力的影响。首先推导了填土面倾斜时的朗肯主动和被动土压力的计算公式;根据平面应变假设确定了中主应力σ2=ν(σ1+σ3),在此基础上推导了统一强度理论下的材料强度指标计算公式,利用该公式可将Mohr-Coulomb强度准则下的材料强度指标转化为考虑中主应力效应的统一强度理论下的材料强度指标;最后通过一算例采用正交试验设计对反映中主应力影响的中间主剪应力系数、泊松比、填土面倾角、黏聚力、内摩擦角、重度6种因素进行了敏感性分析。结果表明:影响朗肯主动土压力强度的6种因素从大到小分别为:重度、中间主剪应力系数、黏聚力、内摩擦角、倾角、泊松比;影响朗肯被动土压力强度的6种因素从大到小分别为:内摩擦角、中间主剪应力系数、泊松比、黏聚力、倾角、重度;中主应力对朗肯土压力计算结果的影响是一个不可忽视的重要因素。     

等向强化–软化Drucker-Prager材料强度参数演化

Drucker-Prager屈服准则中压力相关系数α和黏聚剪切强度k的实测结果少有报道。根据同一组致密砂岩三轴压缩试验,同时测试Mohr-Coulomb准则中的内摩擦角φ和黏聚力c以及Drucker-Prager准则中的压力相关系数α和黏聚剪切强度k。测试结果显示,描述岩石内摩擦性质的参数φ和α随着塑性变形的增长而增长,但是增长速率逐渐减小;描述岩石胶结性质的参数c和k在岩石初始屈服后会先上升至峰值,然后随着塑性变形的增长从峰值逐渐下降。同时,从5种常用的Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则转换关系中,通过同一组三轴压缩试验结果寻找到吻合程度最高的换算关系。Drucker-Prager材料强度参数的变化将来可应用到岩土类材料的数值计算中来模拟材料的强化和软化性质,同时也可以为Mohr-Coulomb准则参数与Drucker-Prager准则参数转换提供一定参考。     

基于Hoek-Brown强度折减法的边坡稳定性图表法研究

边坡稳定性图表为初步评价边坡的稳定性提供一种简单但却行之有效的途径。采用Hoek-Brown有限元强度折减法,提出一套求解Hoek-Brown准则下岩质边坡安全系数的稳定性图表。首先根据Hoek-Brown准则下岩体的正应力与剪切应力的关系,推导关于瞬时内摩擦角φ_i和瞬时黏聚力c_i的一种显示表达公式,进而实现基于Hoek-Brown准则的有限元强度折减法在数值计算中的实施。算例分析表明,该方法获得的边坡安全系数和滑动面位置是合理可靠的,且避免对瞬时强度参数φ_i和c_i的迭代求解。在此基础上,绘制求解b=45°和D=0条件下边坡安全系数的稳定性图表;进而提出分别用扰动权重影响系数f_D、坡角影响权重系数f_β来量化岩体扰动和边坡坡角对稳定性的影响,并绘制求解f_D和f_β的计算曲线。从而建立求解Hoek-Brown准则下岩质边坡安全系数的稳定性图表法。最后通过对2个工程实例的计算表明,采用本文图表法求解岩质边坡安全系数是合理可行的。     

基于三种强度准则下地基承载力的计算

现行地基承载力计算公式未考虑中主应力的影响,也未考虑侧压力系数K0的影响。基于平面强度理论,推导出SMP、Lade、M-C三大强度准则的统一表达式,进而推导出基于统一表达式的考虑K0变化的塑性界面方程,详细对比了三大准则在考虑K0及不考虑K0时塑性界面的特性。研究了内摩擦角、黏聚力及超固结度对于临塑、临界荷载的影响。结果表明:现规范采用的方法计算的临界荷载与同时考虑中主应力和K0变化的SMP准则得到的结果仅在内摩擦角较小时计算结果类似。临界荷载和临塑荷载随着内摩擦角或黏聚力的增大而增大。超固结度对于临塑荷载的影响很小,但对于临界荷载影响较大,且随着内摩擦角的增大而增大。     

粘土的抗剪强度指标试验对比分析

抗剪强度是土的重要力学性能之一,室内剪切试验主要有直剪试验、三轴试验、无侧限抗压强度试验。实际工程中常采用较为简便的室内直剪试验来确定土体抗剪强度中内摩擦角φ和黏聚力c。试验表明,对同样性质土样进行直剪试验和三轴压缩试验得出的内摩擦角φ和黏聚力c相差较大。说明了两者之间的差异。     

牙轮钻工作参数与岩体强度对应关系的理论分析与实验研究

以露天矿开采为背景,基于牙轮钻单齿冲击压入破岩的机理,借助理论分析及现场实验,建立了牙轮钻的工作参数(进尺速度、钻杆轴压、转速)与岩体强度(黏聚力、内摩擦角)的对应关系。理论分析时,基于布西内斯科问题弹性力学解和Drucker-Prager塑性准则,给出了单齿压入破碎区域的几何形态,建立了单齿破岩体积与钻杆轴压、黏聚力、内摩擦角间的函数关系;并根据钻杆旋转一周单齿破岩体积的累积量和宏观破岩体积相等,建立了进尺速度、转速与单齿破岩体积的对应关系。理论分析的结果表明,单齿作用下,破碎区域基本呈椭球形,并在压入点附近的表层出现薄层破碎;进尺速度与转速呈线性关系,进尺速度与钻杆轴压呈3/2次方的关系,进尺速度与黏聚力呈-3/2次方的关系,内摩擦角对进尺速度的影响可以忽略。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻钻进规律的现场实验,研究了进尺速度与钻杆轴压、转速、黏聚力间的对应关系,得到了与理论分析一致的结果。研究成果可以为牙轮钻工作参数的优化设计及岩体强度的动态测试提供依据。     

有压隧洞围岩最小覆盖层厚度弹塑性力学分析

水工隧洞的最小覆盖层厚度受到多方面因素的影响,如何确定最小覆盖层厚度是水工隧洞设计中必须重视的关键点之一。针对传统的最小覆盖层厚度算法的不足,本文提出了基于采用弹塑性力学方法的优化算法。该优化算法综合考虑了黏聚力、内摩擦角、地质强度指标、施工扰动等因素的影响,得到的最小覆盖层厚度更加符合实际情况。根据水工隧洞运行期的受力情况,运用Mohr-Coulomb与Hoek-Brown破坏准则,对无限大均质体中圆形水工隧洞在有无衬砌两种情况下的最小覆盖层厚度进行了弹塑性力学分析。并且与采用Tresca准则的分析结果进行了比较。结果表明:有衬砌时最小覆盖层厚度计算值小于无衬砌计算值。无衬砌时,由Mohr-Coulomb准则与Tresca准则计算所得最小覆盖层厚度随黏聚力的增大而逐渐减小;由Mohr-Coulomb准则计算结果随内摩擦角增大而逐渐减小。当m_i为一定值时,由Hoek-Brown准则计算结果随GSI值增大而减小。有衬砌时,当弹塑性界面在衬砌内时,最小覆盖层厚度随着衬砌黏聚力增大而增大,随着衬砌内摩擦角增大而减小。当弹塑性界面位于岩体内时,最小覆盖层厚度随着岩体和衬砌黏聚力增大而减小,随着围岩内摩擦角增大而增大,衬砌内摩擦角的增大而减小。     

基于真三轴单面卸荷强度双折减法修正D-P准则研究

为了准确地评价巷(隧)道开挖面附近围岩的稳定性,采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对大理岩进行不同主应力加卸载试验,研究大理岩强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb(M-C)准则与Drucker-Prager(D-P)系列准则匹配关系推导分析,探讨黏聚力c、内摩擦角?和Lode参数值的变化规律,确定最大衰减路径,得出黏聚力c和内摩擦角?的强度双折减系数。研究结果表明:(1)M-C准则和D-P准则计算破坏强度的条件是主应力为对称加卸载,在最小主应力单面卸荷的条件下,其准则计算的破坏强度值偏高;(2)M-C准则通过强度双折减后计算的破坏强度值偏低;(3)基于M-C准则强度双折减法对D-P准则进行修正,计算的破坏强度值更接近实际情况。研究结果对于控制地下工程灾害、保障施工安全具有重要的指导意义。     

岩石高边坡爆破开挖损伤区岩体力学参数弱化规律研究

岩石边坡爆破开挖引起的岩体力学性能劣化对边坡稳定具有不利的影响,Hoek-Brown(H-B)准则是快速估算损伤岩体力学参数的有效途径之一。针对白鹤滩水电站左岸834～750 m高程拱肩槽边坡爆破开挖,通过分析爆破后边坡岩体的声波速度,定量确定了H-B准则中扰动因子D的取值及其随深度的变化规律,在此基础上研究了损伤区内岩体力学参数的弱化规律。研究结果表明:随着岩体深度的增加,扰动因子D线性降低,损伤区内岩体变形模量线性增大,岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角和黏聚力非线性增大;爆破开挖扰动下岩体单轴抗压强度弱化最为严重,内摩擦角弱化程度最小。研究成果可为边坡稳定性分析与支护设计的岩体力学参数取值提供参考。     

岩石破损过程强度变化规律实测研究

 岩石材料强度会随着破裂发展而逐渐衰减,详细介绍自行设计的岩石强度衰减测试方法,试验思路、试件制作及关键技术;通过自行设计的直剪试验,测得常规压缩试验破裂得到的不规则损伤岩块在直剪过程中的剪应力–压应力关系曲线,由其拟合得到库仑强度曲线,并与已有(单、三轴)压缩试验数据线性拟合得到的莫尔强度包络线进行比较,分析讨论岩石在破损过程中材料强度(黏聚力和内摩擦角)变化规律,澄清现有黏聚力和内摩擦角变化规律2种完全相对立观点的适用范围。研究结果表明,由完整岩样进行单、三轴试验测得的黏聚力明显大于不规则岩块直剪试验结果,这主要是岩样在单、三轴压缩破坏过程中产生的损伤所致,而不是试验方法所导致的偏差;黏聚力反映的是岩石本质强度特性,受不同应力状态的影响较小。岩样单、三轴压缩试验测得的内摩擦角小于岩块直剪试验结果,这主要是受到不同应力状态和岩石缺陷分布的影响。在岩石破损过程中,内摩擦角随损伤的发展具有先快速增大至最大值后大幅降低直至保持一定趋势不变的规律。内摩擦角反映的是岩石摩擦强度特性,受不同应力状态的影响较大。黏聚力对应力水平的敏感程度远小于内摩擦角。岩石在破裂前后自身材料强度会产生明显衰减。     

基于Hoek-Brown准则的板岩强度特征研究

 建立在岩体各向同性基础上的Hoek-Brown经验强度准则被广泛地应用于地下和边坡工程的设计与安全评估。但Hoek-Brown准则不能直接用来处理层(片)状岩体如板岩或页岩以及含有1或2组优势结构面岩体的强度问题,因为这类岩体往往沿层(片)理或优势结构面破坏,必须对准则加以改进。基于对Hoek-Brown经验破坏准则的深入研究,通过对层状岩体完整岩石试件定义的改进,提出用Hoek-Brown准则的一个很重要的参数,即完整岩石试件的单轴抗压强度 来表征层状岩体强度随层面倾角的变化规律以及应用Hoek-Brown准则来分析层状岩体强度的方法。按照该方法对南水北调西线工程场区不同层面倾角板岩岩石试件进行单轴、三轴压缩试验。根据对试验结果的统计分析,确定不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的相关参数,建立不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown强度准则。此外,还获得完整岩石试件的单轴抗压强度 随层面倾角的变化规律,建立南水北调西线工程场区板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的统一表达式,并预测围压为10,15,20和25 MPa下南水北调西线工程场区板岩岩体的三轴强度随层面倾角的变化规律。本文的工作可以为类似工程提供借鉴。