三参数双τ2强度理论及其在岩石材料中的应用

岩石力学中的强度理论是土木、采矿和水利等众多岩石工程中的安全性和稳定性设计的重要基础理论，它的研究具有重要的意义。首先，在二参数的双τ^2强度理论的基础上，建立了三参数双τ^2强度理论，并给出了材料的极限强度比，从而说明了对应不同材料的不同强度理论。其次，利用三参数双τ^2强度理论分析了岩石材料的脆性破坏，并同某些岩石岩样的试验数据进行了对比。结果表明，三参数双τ^2强度理论在岩样的强度分析中是令人满意的。     

缺陷岩样强度及变形特性的研究

岩样内存在各种缺陷使得其抗压强度离散，这是不可避免的事实。但利用简单重复试验求出多个岩样强度的平均值并不能反映岩石材料的真实物理特性。本文讨论了缺陷岩样的应力应变全程曲线，从中估计出岩样无缺陷时的理想强度，确定了围压对岩样三轴强度的影响，研究了围压降低过程中岩样的屈服破坏。通过理想强度与实际强度的差异，讨论了岩石材料的缺陷程度，并给出了强度准则。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

岩石单轴和三轴压缩实验和力学特性分析

以二滩水电站现场取得的正长石岩样加工制备标准试件(尺寸为Φ50×100mm),开展岩样的单轴压缩及不同围压下的常规三轴压缩试验,取得岩石试件各项物理力学参数,进行岩石试件在不同应力路径和不同围压下强度及变形分析,自行绘制岩样在不同力学状态下应力-应变曲线,阐述岩样加载到破坏的全过程。     

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。     

三参数强度理论及其在脆性材料中的应用

为了完善岩石、混凝土等脆性材料的强度理论,在双τ²强度理论的基础上,考虑两个较大的主剪应力和静水压力对岩石类材料强度的不同贡献,提出了一个新的含有3个参数的双τ²强度理论。推导出了该理论的数学表达式,分析了主应力空间极限面的相关特性,研究了该理论在几种应力状态下的理论预测曲线,并与一些实验数据进行了对比分析。结果表明:该理论在主应力空间的极限面为在拉伸区封闭而在压缩区开口且沿着静水压力轴不断增大的曲面,子午线为椭圆曲线,极限面的形状由材料的极限应力比α、β决定;在σ₁＞σ₂=σ₃或σ₁=σ₂＞σ₃的应力状态下,该理论的理论预测曲线与极限应力比β无关,极限应力σ₁随着压拉比α的增大而增大;双τ²的三参数强度理论与部分岩石和混凝土材料的实验数据吻合较好,完善了脆性材料的强度理论。     

统一强度理论应用于岩石的讨论

具有多种形式的双剪理论已得到广泛的研究和应用,但没有基于试验数据的拟合与其他真三轴强度准则进行直接比较。以主应力形式直接构建线性和非线性统一强度理论,利用岩石的真三轴压缩、常规三轴压缩和伸长的试验结果,确定多个强度准则中的材料参数。统一强度理论对试验数据的拟合偏差较大,不能描述岩石常规三轴压缩和伸长强度随最小主应力的非线性增加,难以描述强度随中间主应力的变化趋势;而非线性理论使用2个隐式函数分段表示,实际计算时需进行多次比较判断。在最小主应力较低时,统一强度理论给出的岩石强度显著偏高,似乎不宜应用于孔壁崩落确定地应力、钻孔稳定性分析等。     

统一强度理论应用于岩石的讨论

 具有多种形式的双剪理论已得到广泛的研究和应用,但没有基于试验数据的拟合与其他真三轴强度准则进行直接比较。以主应力形式直接构建线性和非线性统一强度理论,利用岩石的真三轴压缩、常规三轴压缩和伸长的试验结果,确定多个强度准则中的材料参数。统一强度理论对试验数据的拟合偏差较大,不能描述岩石常规三轴压缩和伸长强度随最小主应力的非线性增加,难以描述强度随中间主应力的变化趋势;而非线性理论使用2个隐式函数分段表示,实际计算时需进行多次比较判断。在最小主应力较低时,统一强度理论给出的岩石强度显著偏高,似乎不宜应用于孔壁崩落确定地应力、钻孔稳定性分析等。     

对岩石双剪强度准则的探讨

基于岩土体的双剪强度理论和已有的一些岩石真三轴强度试验资料，提出了一个岩石双剪强度准则的推广型式，探讨了该强度准则相关参数的选取问题，并据此强度准则进一步揭示了岩石的一些强度特性。     

非均匀强化塑性模型的统一弹塑性本构关系

介绍了三参数统一强度理论和非均匀强化塑性模型 ,并利用三参数统一强度理论对非均匀强化塑性模型进行推导 ,得出了其在强化过程中的弹塑性本构关系。所得模型考虑了材料的拉伸强度与压缩强度不等、双轴等压强度与单轴等压强度不等的情况。当取不同的参数 b和 α时 ,该本构关系退化为 Mohr- Coulomb、Tresca和双剪强度理论等在非均匀强化塑性模型下的本构体系 ,因而可以适用于各类工程材料和不同的受力情况 ,有重要的工程应用价值。     

岩石试样的三轴卸围压试验

介绍了模拟地下岩体破坏的三轴卸围压试验，从新的角度考察了岩石强度、围压与试样弱化破坏间的关系，以塑性变形量和本征强度统一研究了三轴压缩和卸围压两种力学过程，提出了材料参数弱化模量来描述岩样的本征强度降低，讨论了循环加卸围压过程。     

岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀

介绍了岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀机理,采用双扭试件常位移松弛法,对金川矿区的三种岩样进行亚临界裂纹扩展速率测试,得出了应力强度因子与亚临界裂纹扩展速率间的关系。实验数据按腐蚀理论进行线性回归分析,线性相关系数较高。所测岩样的应力腐蚀亚临界裂纹扩展是拉应力和裂纹尖端物质与环境中的腐蚀介质发生化学反应,使化学键断裂这两种机制联合作用的结果。     

损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究

 损伤岩样的强度衰减规律是岩石力学领域的重要课题。采用一种新的方法预制损伤岩样,对其分别进行单轴和三轴压缩试验,并将结果与近似均质的完整岩样试验结果对比。结果表明,单轴压缩下,损伤岩样除劈裂破坏外还伴随有斜向断裂破坏;随围压的增大,损伤岩样容易在胶结面处出现一种新的近水平破坏。损伤岩样较完整岩样的强度衰减值,随围压的增大而增大,但增长幅度逐渐减小。根据室内试验的结果,借助于PFC数值软件,对损伤岩样单轴强度衰减的尺寸效应进行探究。研究发现,随岩样高径比的增大,单轴强度的衰减值不断减小,但减小的趋势逐渐平缓。提出单轴强度衰减的理论模型 (其中, 为任意损伤岩样的单轴强度衰减值, 为标准损伤岩样的单轴强度衰减值, 为圆柱体岩样的高径比,a和b均为材料参数),所得的理论曲线与试验值吻合得很好。计算得出损伤岩样尺寸为无穷大时,单轴强度衰减的无限趋近值 。     

粉砂岩三轴压缩试验中的试样尺寸效应研究

可靠的试验数据是认识和理解岩石强度和变形特性的基础。以粉砂岩为对象,系统研究其在室内三轴压缩试验中的试样尺寸效应,分析不同围压下尺寸效应对岩石强度和变形的影响规律。相同直径不同长度(不同高径比)试样的试验结果表明,在相同围压下,随着高径比的增大,粉砂岩的抗压强度和泊松比不断减小,杨氏模量逐渐增大;当岩样高径比超过2.2时,粉砂岩强度、杨氏模量和泊松比的测量值逐渐趋于稳定。另外,基于不同直径相同高径比岩样的常规三轴压缩试验,对比分析不同围压下岩石抗压强度、变形和破坏形式等力学特性。研究表明,对于均质性较好的细颗粒岩石,缩放岩样尺寸引起的体积效应不明显,尺寸效应主要表现为岩样高径比的影响。     

圆筒试验法在岩石测试中的应用

鉴于传统的岩石试验方法假定岩样处于均匀的应力状态,而实际地下开挖体附近的岩石一般是处于平面应变下的非均匀多轴应力状态.为了更好地模拟真实岩石的强度及变形性态,我们使用了岩石圆筒试件进行研究.本文是此系列研究报告中的一部分内容。Mohr-Coulomb强度准则是现今人们广泛引用的岩石线性强度准则,结合塑性流动法则作者建立了几种岩石圆筒的变形模式,其中包括岩石材料的弹塑性增量理论模型及弹塑性全量理论模型。同时,作者在文中还提出了应用岩石圆筒实验结果回归分析岩石材料强度及变形参数的简单方法。为了对建议的方法进行证实和评价,作者用砂岩圆筒试件进行了试验,对径向和环向应变作了测量.分析表明:在外围压力作用下的圆筒试验结果与按理想弹塑性理论考虑关联流动法则和Mohr-Coulomb线性强度条件预测的情况吻合很好。     

三轴压缩下岩石强度与破坏面角度的双剪理论分析

应用双剪理论对岩石在三轴压缩载荷下的强度和破坏特性进行了理论分析，并将分析结果与已有实验作了对比。研究表明，在岩石的强度特性方面，双剪理论所得分析结果与实验结果较吻合。而在岩石的破坏面角度方面，分析与实验尚需作进一步研究。这可能是由于岩石的破坏特性较之强度特性对其微观结构构造和实验面的条件更敏感所致。然而，作为一种宏观强度理论，双剪理论除了能很好地表述岩石的复杂强度特性外，还具有数学表达简明、便于工程应用等特点，是分析岩石在复杂应力条件下力学特性的有效工具。     

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。     

单一试样确定大理岩和砂岩强度参数的方法

确定岩石的强度参数是室内试验的主要工作之一，但有时试样数量偏少，或离散性较大时会出现围压增大、三轴强度降低的现象，难以确定内摩擦角等参数。基于伺服试验机加载过程的实时控制，对大理岩和砂岩分别提出单一岩样确定强度参数的方法。大理岩在围压较高时具有明显的屈服平台，通过对同一试样逐级提高围压的加载方法，就可以得到不同围压下试样的强度，据此可以回归Coulomb强度曲线。而砂岩在高围压下轴向压缩破坏之后，保持试样轴向压缩变形恒定降低围压，其轴向承载能力随围压下降而线性降低，比例系数与围压对峰值强度的影响系数大致相同，利用岩样的三轴强度和该比例系数就可以确定Coulomb强度曲线。     

损伤与破裂岩样力学特性试验研究

深地矿产资源开发中所要面对的是与浅部巷道有着本质性差异的破裂围岩,破裂围岩的力学特性与完整岩石差异性较大。为探究损伤和破裂岩石的力学行为,提出采用同时卸除轴压与围压的三轴卸荷试验来制备损伤和破裂岩样的试验方法,定义一种基于弹性模量的劣化和考虑塑性变形影响的适用于描述岩石损伤破裂行为的表观损伤破裂变量。采用MTS 815岩石力学试验系统开展峰前、峰值、峰后及残余等8个卸载点的三轴卸荷试验,获得不同损伤破裂度的岩样。通过开展损伤与破裂岩样再承载特性的三轴压缩试验,揭示了损伤和破裂岩样的峰值应力、强度与变形参数、扩容特性与围压及损伤破裂度间的变化规律。试验结果表明,不同损伤破裂度岩样的三轴再加载试验应力–应变曲线仍具有完整岩样常规三轴压缩试验的五阶段,但高损伤破裂度岩样的峰后软化段曲线逐步平缓,表现出一定的塑性变形特性。岩样的峰值应力、强度和变形参数与围压呈正相关,围压对岩样的体积扩容具有显著的抑制作用。随着岩样损伤破裂度的增大,卸荷后再加载岩样的体积应变越易产生扩容现象,岩样的峰值应力、弹性模量随之降低,而广义泊松比随之增大。     

常规三轴条件下不均匀岩石的强度尺寸效应

运用FLAC3D数值模拟软件对不均匀岩石在常规三轴条件下的强度尺寸效应进行了研究。细观单元的粘聚力和杨氏模量被假设为具有离散性并符合高斯分布,并通过设定不同的离散系数来反映岩样的不均匀程度。对不同尺寸的岩样在不同围压下进行多次加载得到了一系列具有离散性的试验结果。结果表明,随尺寸的增大,均匀的岩样没有尺寸效应,不均匀的岩样强度平均值会不断减小,离散系数则不断增大,而且岩样的不均匀程度越高,强度尺寸效应越显著;围压的增大则会降低岩样强度对尺寸变化的敏感性。通过定性分析认为,岩石强度的尺寸效应可以理解为岩石细观不均匀性在宏观上综合的平均效应。