D-P准则与岩石断裂韧度KⅠc,KⅡc关系的研究

通过断裂力学中裂纹端部的应力叠加,得出拉剪裂纹的端部总应力,代入D-P破坏准则,经推导得出D-P准则与岩石断裂韧度KⅠc,KⅡc的相互关系.并以三峡永久船闸高边坡为例,说明该推导的合理性.     

基于损伤断裂理论的岩石破坏机理研究

首先建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,求出裂纹端部的应力分量。然后采用最大周向应力理论（σθ准则）,求出岩石的断裂角,得出断裂角只与裂纹和荷载方向的夹角有关。在压-剪复合应力状态下,裂纹将沿着初始断裂角θ0的方向开始扩展。进而得出岩石的宏观断裂模式,即裂纹的发展形状是折线形的,最终详细地阐述了岩石的破坏机理。     

受压岩石断裂准则研究

首先建立双向压缩条件下形成单一闭合裂纹的力学模型,考虑摩擦力的影响,计算出裂纹面的正应力和剪应力。分别运用有效剪应力准则和最大周向应力准则计算裂纹的初始断裂角。运用有效剪应力准则得出的初始断裂角只与岩石的抗拉强度和抗压强度之比有关。运用最大周向应力准则得出的初始断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响。将两种理论分析的结果与实验结果进行对比分析得出:考虑摩擦力的最大周向应力准则更接近裂纹扩展的实际情况,建议工程中更多的采用该准则,而有效剪应力准则与实验结果不相符,有待完善。岩石闭合裂纹的扩展及断裂是一个复杂的过程,有待深入分析研究。     

考虑双剪中主应力影响系数的D-P系列屈服准则研究

双剪统一强度理论考虑了中间主应力的影响,但其屈服面不光滑,不利于数值分析。为了解决Mohr-Coulomb屈服面奇异性问题,已有研究推导得到与Mohr-Coulomb有特殊位置关系的一系列D-P屈服准则。为了解决双剪统一强度理论角点奇异性问题,参考传统的D-P系列屈服准则的推导过程,推导得到了考虑中间主应力影响系数b的D-P系列屈服准则。根据双剪统一强度理论得到的π平面极限线有12个,它们在π平面上两两相交组成了关于3个主应力轴对称的十二边形,与这些极限线有特殊关系的圆有6个,这些圆在空间中是与双剪统一强度理论屈服面有特殊位置关系的圆锥,根据理论分析和数学推导分别得到6个圆锥面的屈服函数表达式,分别为DDP1,DDP2,DDP3,DDP4,DDP5和DDP6。利用经典的强度折减法,分别计算了匀质边坡和非匀质边坡在考虑b时的D-P屈服准则下边坡稳定性系数,结果表明考虑b的D-P系列屈服准则可以适用于边坡稳定性分析,与传统的D-P系列屈服准则相比,能够充分发挥材料的强度潜力。     

复杂应力状态石英云母片岩强度参数研究

针对具似层状结构的石英云母片岩,采用原位真三轴试验新技术,模拟隧洞开挖边墙的复杂应力状态,取得卸侧压路径原位真三轴强度和流变试验成果,并按反映岩体三剪应力状态的D-P准则研究复杂应力状态岩体强度参数。对于特定应力状态,垂直于片理面卸载,D-P准则参数低于M-C准则强度参数。通过比较卸侧压路径、加轴压路径的三轴强度参数以及岩体直剪强度参数,按D-P准则整理的卸侧压真三轴流变强度参数能更好地反映复杂应力状态围岩强度特征。     

基于弹性应变能D-P强度准则修正

针对D-P强度准则存在的拉剪区偏大及不具备应力角效应等不足之处,为使其更符合岩石的屈服(破坏)机制,从弹性应变能角度对D-P强度准则进行修正,开展如下工作：为便于研究将弹性应变能分为偏量弹性应变能与张量弹性应变能之和,并分析各能量对材料破坏影响;研究D-P强度准则的物理意义及其不足之处产生的内在原因,并基于此建立广义D-P强度准则,总体上可较好地反映岩石的破坏特性,并能较好地解决拉剪区偏大及应力角效应等问题。对4种不同岩石的破坏强度进行计算,结果表明：广义D-P强度准则计算结果较为精确,该准则突破材料破坏时泊松比恒为0.5传统假设,对于准确定量地描述岩石破坏特性具有重要意义。     

直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳性能评估与加固技术研究

设直角突变式支座的薄腹钢吊车梁，在吊车荷载作用下，腹板平面外变形产生的弯曲应力导致吊车梁腹板的疲劳性能明显降低。实际工程中的直角突变式支座薄腹吊车梁，在插入板端部位置的腹板沿竖向产生疲劳裂纹，裂纹长度最大达到300 mm,继续开裂会严重威胁生产安全。通过实测开裂的直角突变式支座薄腹吊车梁的动态应力、欠载效应的等效系数及平面外动态变形，得出吊车运行频繁程度和插入板端部切角弧度是影响插入板端部位置腹板疲劳强度的关键因素。采用有限元法和疲劳裂纹扩展分析技术，对直角式突变支座薄腹吊车梁插入板端部的腹板开展了拟静态疲劳裂纹扩展模拟，得出裂纹长度与应力强度因子的关系曲线。提出了适用于直角突变式支座薄腹吊车梁的钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固两种加固方法，并对比分析了两种加固方法的有效性。证明钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固均可有效降低裂纹尖端的应力强度因子，提高直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳强度。     

各D-P准则之间一种新的转化方法的探讨

鉴于目前有限元分析软件ANSYS等中采用的屈服准则仅为众多Drucker-Prager中的一种,且经大量实例证实此种准则误差较大,因此如何将其它D-P准则应用于ANSYS当中则显得非常重要。传统的做法是在计算之前实现岩土体强度指标的转换,而文章则依据各D-P准则在π平面上圆半径的大小即为其抗剪强度值这一物理意义,得出不同的D-P准则在π平面上投影圆的半径之比即为对应的D-P屈服准则所得安全系数的比值这一结论,由于此比值只与土体的内摩擦角有关,文章列出了常用内摩擦角值对应的各种D-P准则所得均质土坡安全系数的转化表格,便于应用ANSYS采用不同D-P准则求解边坡安全系数时查用,最后结合工程实例简化模型验证了上述结论。     

基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究

通过适当的变化,D-P系列屈服准则便可与能够很好地描述岩土材料的强度特性的Mohr-Coulomb准则相匹配。文中对系列D-P系列屈服准则进行了比较系统及深入的研究,指出了D-P系列屈服准则的应用条件、相互之间的关系,并给出了一种D-P系列屈服准则的相互转换的方法。最后通过平面应变条件下的地基进行了有限元分析,通过与Prandtl经典理论解的对比,得出了大量有益的结论。数值分析结果有力的验证了本文有关理论的正确性。     

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。     

运用等效应力法建立压剪型危岩破坏判据的研究

基于断裂力学理论,构建压剪型危岩断裂力学模型。模型考虑了主控结构面的贯通段有水压和无水压两种情况,建立了两种情况下主控结构面的非贯通段等效应力场,结合D-P理论,建立了压剪型危岩的破坏判据。算例分析的结果表明:当贯通段无水压作用时,将有关参数代入破坏判据式,即可判定该危岩体是否失稳;当贯通段有水压作用时,危岩体的失稳破坏与水压应力在裂缝尖端产生的应力场距离r有关,只要求得r的具体值,就可以利用破坏判据式判断该危岩体是否失稳破坏。     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。     

不同强度准则下软岩巷道底板破坏安全性比较分析

长期以来,对地下硐室的稳定性评价一直缺乏一个合理的评判标准,传统有限元法无法计算出硐室的安全系数,仅凭应力、位移和塑性区大小很难确定硐室的安全度。为解决这一难题,吸收极限分析有限元方法的优点,开展基于强度折减技术的软岩巷道底板的安全系数求解。极限分析本质上是强度问题,强度准则的选取对求解结果影响很大,为此探讨不同强度准则参数之间的关系和经典D-P准则与扩展D-P准则之间的剪切安全系数的转换。考虑巷道底臌是由于两帮岩体产生压模效应而造成底板岩体出现的整体剪切破坏,通过不断折减岩体的抗剪强度参数,以底板特征点位移突变为破坏判据,求解底板的稳定安全系数及潜在破裂面,并比较不同强度准则下的求解结果。结果表明,安全系数的理论转换公式具有较高的计算精度;不同强度准则求解的安全系数关系为DP1准则＞M-C准则＞扩展D-P准则＞DP4准则＞DP2准则＞DPM-C准则＞DP3准则,即DP1准则是偏不安全的,其中DP2,DPM-C,DP3准则求解结果吻合较好;网格密度及剪胀角的选取对结果收敛影响很大。     

A Hoek–Brown criterion with intrinsic material strength factorization

Probably the most common failure criterion for rock masses is the Hoek–Brown (HB) failure criterion. The HB criterion is an empirical relation that extrapolates the strength of intact rock to that of rock masses. For design purposes, the HB criterion is often fitted using equivalent Coulomb failure lines. However, equivalent Mohr–Coulomb (MC) shear strength parameters cannot yield the same failure characteristics as the HB criterion. The curvilinear HB criterion automatically accommodates changing stress fields; the MC criterion does not. The extended HB criterion proposed in this paper provides a solution to this problem by incorporating an intrinsic material strength factorization scheme. The original HB criterion is additionally enhanced by adopting the spatial mobilized plane (SMP) concept, first introduced by Matsuoka and Nakai (MN). The SMP concept accounts for the experimentally proven, influence of intermediate principal stresses on failure, which is disregarded in the original HB criterion. A small set of examples provided at the end of the article gives a good indication of the merits of using the extended HB criterion in practical applications.     

Rock rupture phenomenon and pillar failure in tuffs in the Cappadocia region (Turkey)

The aim of this study is to investigate the relation between the critical failure stresses for rupture and pillar instabilities observed in tuffs in Cappadocia region and stresses triggering the early crack propagation stages such as crack initiation, systematic cracking and crack coalescence thresholds determined from Brazilian and uniaxial compression tests on rock samples obtained from these instabilities. These failures in the region have been occurring as a result of strength reduction of rocks through time, and long-term strengths of these rocks are achieved by own weight of the rock mass. In this study, these failures were evaluated in order to estimate long-term failure strength of rocks by classical short-term laboratory tests. For this purpose, some cases on rock rupture phenomenon and a pillar failure case were picked from different parts of the region. During the selection of these instabilities, the ones with relatively regular geometries were preferred. Rock block samples were collected from each case, and uniaxial compressive and indirect tensile (Brazilian) tests were carried out on dry and saturated specimens. In these tests, axial deformations and acoustic emission (AE) activity were also recorded in order to identify thresholds of the crack propagation and deformation stages of rock samples. The simplified back-analysis of each case was conducted, and the tensile stresses on rupture surfaces and uniaxial compressive stress on pillar were calculated. Then, stress levels at the thresholds of crack propagation and deformation stages determined by laboratory tests and stress levels determined by back-analyses were compared. Finally, it is concluded that crack initiation and/or systematic cracking thresholds may be a good indicator to determine lower bound of the in-situ strength of these tuffs and can be used as an estimator of their long-term strengths.     

基于应变的脆性岩石破坏强度研究

在三轴压缩条件下，岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏2种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中，哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此，不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和室内试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，应变破坏准则的变化与岩石抗压强度、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

基于应变的岩石类脆性材料损伤研究

在三轴压缩条件下岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏两种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和实验室试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，岩石应变破坏准则的变化与抗压强度准则、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

岩石劈裂与岩石破坏性质的不稳定性

 岩石劈裂是裂纹受轴向主压缩荷载引起的裂纹尖端开裂所致,这种开裂与Griffith理论的分析结果不同,它是一种与岩石压缩剪切破坏不同的压缩张拉破坏。基于Griffith裂纹分析方法,证明了裂纹尖端存在小拉应力极值,结合岩石破坏的渐进性特点,说明岩石在压缩过程中可以形成张拉破坏(劈裂破坏),这一破坏形式是修正的Griffith强度理论以外的另一种破坏形式。给出了岩石劈裂破坏的条件,即裂纹纵向荷载高且侧压力很小或为0,且没有后续荷载的进一步作用或荷载时间短,并通过岩石厚壁圆筒卸荷试验验证了该岩石劈裂破坏条件的合理性。基于能量原理,分析岩石卸荷在无外功条件下张拉破坏与压缩破坏的能量耗散特征,给出岩石破坏时的能量关系式;从能量的积聚与耗散角度,揭示了煤岩体动力冲击、巷道围岩突然破坏等动力破坏现象产生的机制。     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。