圆形巷道围岩变形压力新解法

将巷道围岩塑性区内的岩体视为塑性软化介质，以岩体的全应力─应变曲线后破坏段的应力值作为岩体的塑性软化强度，得到了关于巷道围岩塑性区半径和应力的一般解，适用于具有理想弹塑性、应变软化和应变硬化特征岩体中巷道变形压力的分析计算。由于本文力学模型中引入了岩体的全应力─应变曲线，很好地反映了岩体出现塑性变形后强度降低的特点，所以计算结果对工程实践具有指导价值。著名的Ｈ．Ｋａｓｔｎｅｒ公式可以看成是本文公式在岩体出现塑性变形后强度不变的条件下的一个特解。     

考虑刚度与强度劣化的洞室围岩弹塑性分析

地下洞室锚固围岩进入塑性状态后其刚度与强度均会产生一定程度的劣化。将锚固围岩视为复合岩体并借助参数等效原则求出其刚度与强度参数后,基于D-P屈服准则得到了考虑劣化效应的深埋圆形洞室锚固围岩弹塑性解,借助FLAC-3D有限差分软件验证了该方法的可靠性后对相关影响因素进行了具体分析。研究结果表明：(1)考虑锚固围岩的刚度与强度同时劣化后得到的围岩变形量更符合实际;(2)残余黏聚力c"、残余内摩擦角φ"、残余弹性模量E"的大小对锚固塑性残余区半径R_b、洞壁位移u具有控制性作用,当c",φ",E"取值越大时,R_b,u便会越小,反之R_p、R_b、u便会越大;(3)软化模量M_c、M_φ对塑性残余区半径R_b、洞壁位移u的影响较大,对塑性软化区半径R_p的影响可以忽略;(4)系统锚杆与支护阻力p_i协调作用下可以有效控制塑性残余区范围及围岩变形。     

巷道围岩松动圈形成机理的动静力学解析

考虑巷道围岩在开挖过程中的动静力作用,提出了围岩松动区包含破碎区和塑性软化区两个部分。首先在围岩的瞬间卸载所产生的动力作用下,巷道周边围岩产生张拉裂隙破坏区,随后在原岩应力的静压作用下,产生拉剪复合破坏形成破碎区。塑性软化区是在原岩应力的静压作用下,随围岩变形的增大逐渐形成的。同时,根据弹性力学知识,得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场,提出了破碎区半径的求解方法。根据破碎区围岩应力的分布及残余强度理论,得到破碎区对塑性软化区的支撑反力,再利用塑性区的应力计算公式,得到了确定围岩松动区半径的计算公式。通过实例计算与实际监测对比表明,松动区的半径与现场实际观测到的结果吻合的较好。     

圆形巷道围岩应变软化弹塑性分析

 岩土类材料广义上都呈应变软化力学行为,考虑峰后岩石应变软化过程中引起后继强度面收缩的特性,认为岩体在足够小的局部范围内材料特性保持不变,将后继破坏岩体分为多个塑性区,给出基于平面应变和Mohr- Coulomb准则的围岩准应变软化弹塑性应力解析式,并给出符合围岩后继强度和变形演变规律的各软化区半径求解方程组。洞室围岩变形特征曲线是地下工程支护设计的重要依据,考虑岩体破裂过程中变形参数不断劣化的特性,分析剪切模量劣化对围岩变形、软化半径及破裂半径的影响。最后通过算例对模型进行验证,计算结果可以对地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

基于Drucker-Prager准则球形洞室的弹塑性分析

基于岩体力学中关于深埋圆形洞室的假设和Drucker-Prager准则，推导了深埋球形洞室开挖后应力弹性分布、塑性分布和塑性区半径的公式，并用所得到的公式与圆形洞室进行了比较，算例表明，在相同荷载和岩体强度参数的前提下，球形洞室的受力比圆形洞室的受力合理。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解,最后探讨了塑性软化区和破碎区弹性应变不同取值、孔隙水压力、软化模量、扩容系数对巷道围岩塑性软化区、破碎区位移和半径的影响。研究结果表明:1)应优先采用由广义胡克定律即情况2来确定塑性软化区和破碎区弹性应变比较合理;2)孔隙水压力对塑性软化区、破碎区位移和半径影响显著;3)软化模量对塑性软化区半径无影响,对塑性软化区和破碎区位移影响很小,对破碎区半径影响显著;4)不同扩容系数对塑性软化区半径无影响,对塑性软化区和破碎区位移、破碎区半径影响显著,应采用非关联流动法则对扩容进行分析。     

考虑剪胀和软化的巷道围岩弹塑性分析

在应力跌落模型的基础上引进软化阈值,建立了弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化性质。基于Mohr-Coulomb准则,考虑了岩土材料屈服后的塑性软化和体积膨胀,推导了圆形巷道围岩的软化区半径、塑性区半径、洞周位移及围岩内应力表达式,最后通过算例分析了剪胀、软化程度和弹模劣化对破裂区范围的影响,为巷道的稳定分析以及支护设计提供理论依据。     

基于GZZ强度准则考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解

基于三维非线性Hoek-Brown强度准则(GZZ强度准则),提出考虑应变软化特性的圆形隧道开挖后围岩非线性力学响应的求解方法。该强度准则不仅继承了传统二维Hoek-Brown准则的优点,并可以考虑中主应力2σ的影响。根据经典弹塑性理论采用数值方法得到考虑应变软化特性的围岩应力、应变、位移及塑性区范围的解答。计算结果表明,传统二维Hoek-Brown强度准则低估了围岩的变形能力。与之相比,采用考虑中主应力影响的GZZ强度准则计算得到的塑性区和软化区半径及围岩应变值更大。围岩最大环向应力θσ位于弹–塑性区边界处,从软化区向流动区过渡过程中围岩的环向应力曲线斜率发生了突变。在塑性软化区内,围岩应变值相对较小而应力值较大;在塑性流动区内,围岩的应力值相对较小,但其应变值非常大,流动区围岩的应变值可达软化区应变值的数十倍。塑性区围岩的软化可以使隧道洞壁附近的围岩应力减小,但会使其变形大大增加。当支护压力较小时,软化作用会使围岩变形增加数倍甚至数十倍。同样,在保证洞壁收敛变形不变的条件下,围岩软化后所需的支护反力会增加数倍甚至数十倍。在高地应力地区,围岩的软化使导致隧道发生大变形破坏的关键原因。在隧道支护结构设计计算时适当考虑围岩的应变软化特征,对于避免隧道发生大变形破坏十分重要。     

结构性黄土深埋盾构隧道围岩力学特性研究

盾构施工会破坏黄土结构性,为探求黄土结构性变化对盾构隧道围岩力学特性的影响,引入应力比结构性参数对摩尔-库伦强度准则和芬纳公式进行修正,通过建立黄土围岩和管片之间力和位移的连续条件,对围岩塑性区半径进行了求解,并对解析解进行了对比验证,最后分析了关键参数对围岩力学性态的影响。结果表明:(1)太沙基土压力公式计算结果介于解析解上限值与下限值之间;(2)随着应力比结构性参数的增大,对应的塑性区半径和围岩压力值在不断减小;(3)随着覆跨比的增加,塑性区半径不断减小,围岩压力值不断增大,当黄土结构性比较强时,隧道覆土厚度达到一定值之后围岩压力解析公式才适用;(4)围岩压力和塑性区半径与开挖半径近似呈线性正相关关系。     

Hoek-Brown岩体中轴对称隧洞渐变扰动分析

现有的Hoek-Brown(HB)岩体地下开挖分析模型中,常将通用HB准则(2002版)的扰动因子D取为一固定值,与之不同之处在于将该因子从洞室开挖面至弹塑性分界面按渐进衰减考虑。结合非线性的非关联流动法则,给出了轴对称隧洞的临界支护压力、塑性区半径、应力和位移评价公式,相应的值可通过数值积分法获得。对节理岩体中洞室开挖爆破损伤和应力释放所致的渐变扰动分析,所提模型实质是对围岩塑性区软化问题的描述。算例表明,模型对D进行不同处理,也可得到轴对称隧洞理想塑性和弹脆塑性情况的分析解,为实际工程检验爆破开挖面附近岩体渐变扰动程度提供了理论解参考。     

渗水膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变解及变形特性分析

渗水膨胀岩隧洞变形是一个受渗流、膨胀与扩容等多因素影响的复杂时变问题。探讨了其变形机制,建立渗水膨胀围岩受力平衡方程,进而得到反映扩容角影响的弹塑性解,并证明余东明解和侯公羽解是本文解的两个特例。以此为基础,借助改进的西原模型,获得了考虑膨胀应变影响的渗水膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变解,并分析了渗流、膨胀与扩容等因素对洞壁时效变形的影响规律。结果表明：随着内外水头比减小或扩容角增大,时效变形逐渐表现为黏弹塑性;膨胀系数α₂只影响围岩黏弹性变形,位移为α₂的单调递增线性函数;在隧洞开挖扰动初期,封闭应变迅速发展成位移,对渗水膨胀围岩变形影响极大。所得结论对渗水膨胀岩隧洞施工和变形控制具有一定指导意义。     

In-Situ Evaluation of Strength and Dilatancy of Sands Based on CPT Results

In-situ tests have been increasingly used to estimate the shear strength of soils. In this paper, we propose methods to evaluate in-situ strength and dilatancy of sandy soils based on cone penetration test (CPT) results. It takes into account the silt content, relative density and stress state of the sand. A series of laboratory test results from fundamental property tests and triaxial tests are analyzed to develop methods for in-situ evaluation of strength and dilatancy for sands. Based on test results, modified and simplified dilatancy equations, in terms of the cone penetration resistance q_c and intrinsic soil variables, are proposed. Results from proposed and original dilatancy indexes show close agreements for various soil conditions. Values of intrinsic variables for the proposed dilatancy relationships were proposed as a function of silt content. Based on TX test results, a direct CPT-based correlation, applicable to both clean and silty sands, is proposed as well. In order to verify the proposed methods, calibration chamber CPT results obtained in this study and collected from the literature are adopted. It is observed that the results from the proposed methods show good agreement with the measured results.     

考虑多尺度结构的贯通节理岩体损伤摩擦耦合模型

基于贯通节理岩体结构的多尺度特征,采用两步均匀化方法,给出了节理岩体在复杂荷载作用下的自由焓表达式,建立了节理岩体损伤摩擦耦合本构模型。模型可同时考虑岩块损伤扩展、微裂纹滑移剪胀、法向刚度恢复,节理面多阶凸起体滑移磨损、剪胀演化以及节理与岩块相互作用等特征,较好地反映岩体内部微裂纹、节理等不同尺度微结构变化对其力学特性的影响。采用Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验、花岗岩节理剪切试验以及不同节理倾角与不同围压下Martinsburg板岩三轴压缩强度试验等成果对模型进行了验证,模型预测值与实测值相当吻合,论证了模型的准确性。     

岩土材料的剪胀方程

岩土材料的摩擦特性导致土体在剪应力作用下会发生体积的膨胀或收缩,因此建立剪胀方程是描述岩土材料力学行为的关键。基于经典弹塑性理论的框架,可以构建土的一般性剪胀方程。论文分析了Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、SMP等强度准则对应的剪胀方程。总结了剑桥模型、清华模型,以及国内外常用本构模型的剪胀方程。探讨了三轴试验条件下剪胀方程与名义切线泊松比的关系,以及可能的取值范围。结合广义位势理论,进一步给出了利用剪胀方程构造本构模型的途径。     

层状岩体渗透特性多尺度演化模型研究

考虑层状岩体内部微裂纹、层面等不同尺度结构特征,采用两步均匀化方法,建立了层状岩体细观损伤模型与渗透特性多尺度演化模型。两步均匀化过程分别考虑了层状岩体内部细观结构与宏观结构对渗透特性的影响。层状岩体渗透特性演化模型可同时考虑微裂纹损伤扩展、滑移剪胀,层理面滑移磨损、剪胀演化特性以及微裂纹与层理面相互作用等特征,较好地反映了内部不同尺度微结构变化对其渗透特性演化的影响以及渗透特性的各向异性特征。基于该模型,通过数值模拟层状岩体中地下洞室开挖扰动过程,研究了层面倾角以及岩体强度各向异性特征对洞周围岩损伤与渗透特性演化规律的影响。研究成果对于深部层状岩体水–力耦合特性研究具有一定参考意义。     

剪胀和破坏耦合的节理岩体本构模型的研究

 摘要：根据节理岩体切向加载作用下的变形机制,把微凸体在磨损破坏过程中引起的剪胀软化现象和伴随的强化现象分开考虑,提出一种新的本构模型。试验结果表明,在法向和切向载荷共同作用下,由于微凸体的爬坡和啃断作用,节理岩体均会发生一定程度的剪胀和磨损,累积到一定程度就产生软化现象,在此引入一个初始剪应力概念体现上述特征。另一方面,由于破碎颗粒的碾压和迁移作用,使得抗剪力学行为由微凸体粗糙度控制逐渐转变为由结构面上形成的紧密夹层的力学行为所控制,抗剪强度提高,在此通过弹塑性随动强化模型来体现这一变形行为。当随动强化模型与初始剪应力相结合时,即为节理岩体切向加载作用下的剪应力–切向位移本构关系。通过对各种已有试验曲线的对比分析,验证该模型的正确性。     

Time-dependent dilatancy for brittle rocks

This paper presents a theoretical study on time-dependent dilatancy behaviors for brittle rocks. The theory employs a well-accepted postulation that macroscopically observed dilatancy originates from the expansion of microcracks. The mechanism and dynamic process that microcracks initiate from local stress concentration and grow due to localized tensile stress are analyzed. Then, by generalizing the results from the analysis of single cracks, a parameter and associated equations for its evolution are developed to describe the behaviors of the microcracks. In this circumstance, the relationship between microcracking and dilatancy can be established, and the theoretical equations for characterizing the process of rock dilatancy behaviors are derived. Triaxial compression and creep tests are conducted to validate the developed theory. With properly chosen model parameters, the theory yields a satisfactory accuracy in comparison with the experimental results.     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai 屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力-黏塑性功-时间关系,利用等效时间法得到应力-黏塑性功-黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明：建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

基于破碎能耗的粗颗粒料本构模型

现有的考虑颗粒破碎的本构模型主要是通过引入颗粒破碎率来反映颗粒破碎对材料力学性质的影响,由于颗粒破碎率只是粗颗粒料在受外荷作用下的一种外部表现,在测定的其它参数中实际上已经包含了颗粒破碎的影响,因此为反映颗粒破碎而引入颗粒破碎率的方法是不合适的。基于Ueng和Chen剪胀方程,通过分析三轴剪切试验过程中的能量平衡,提出了考虑颗粒破碎的剪胀方程及其参数确定方法。将Rowe剪胀方程和考虑颗粒破碎的剪胀方程分别引入Duncan E-非线性模型和沈珠江“南水”双曲服面模型,通过与三轴CD剪切试验成果的对比分析和工程实例的有限元数值分析,表明所提模型可较好地反映材料的剪胀特性。如采用弹塑性模型尚能反映颗粒破碎在增加变形的同时降低了材料的强度等特性,验证了所提模型的合理性和可靠性。与现有的考虑颗粒破碎的本构模型相比,所提模型具有试验工作量小、参数少和参数物理意义明确等优点,便于在工程中推广使用。