基于双剪统一强度准则砂岩真三轴卸荷损伤本构模型研究

为完善真三轴加卸荷条件下砂岩损伤本构模型及参数确定方法,基于真三轴流固耦合试验系统,开展真三轴不同中间主应力、不同最大主应力加载速率条件下砂岩加卸荷试验,分析不同应力路径下砂岩的变形特征、各阶段渐进破坏特征和强度特性,选取真三轴加卸荷条件下适用的强度准则,建立可以有效描述砂岩受力破裂过程的损伤本构模型。结果表明：随着中间主应力的增加和加载速率的增加,砂岩试样起裂应力、损伤应力、峰值强度均增加。在两类应力路径下,双剪统一强度准则可以准确的描述砂岩强度特性。通过将双剪统一强度准则转化为合适的屈服函数形式,并考虑试样在不同主应力方向的损伤演化特性,建立真三轴损伤本构模型,对比分析模型参数对应变硬化特性的影响。模型分析结果与实际试验在不同主应力方向应力–应变曲线吻合,拟合结果较为稳定。该模型能准确反映砂岩微元强度受应力状态的影响,较好地反映砂岩不同主应力方向的受力破裂过程,可为实际岩石工程实践提供更好的理论指导作用。     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

考虑中间主应力效应的筒仓侧压力计算

首先基于真三轴强度准则即Drucker-Prager准则、Matsuoka-Nakai准则、Lade-Duncan准则和统一强度理论推导了平面应变状态下4种考虑中间主应力效应的侧压力系数表达式,并给出各自的适用条件,进而将其应用于深仓和浅仓的侧压力计算,最后将计算结果与已有试验数据以及多国规范值进行了比较和验证。结果表明:深仓和浅仓侧压力计算的强度准则效应均很显著,中间主应力效应越强,对应的侧压力越小;对于深仓,欧洲规范计算结果最为保守,中国规范、参数b=0时统一强度理论以及Mohr-Coulomb准则三者的计算结果相同;对于浅仓,修正Coulomb理论计算结果最为保守,Rankine理论与参数b=0时统一强度理论的计算结果相同;4种真三轴强度准则均不同程度反映了中间主应力的影响,参数b=0时统一强度理论偏于保守,Drucker-Prager准则偏于危险,Lade-Duncan准则与试验数据吻合最好。     

不同应力路径下深埋软岩力学特性试验研究

为探讨深埋软岩在不同应力路径下力学性质的差异,对取自丹巴水电站右岸平硐深埋软岩分别进行室内三轴加载试验和不同围压等级、不同卸荷应力水平、不同卸荷速率的恒轴压卸围压试验,并对岩样卸荷破坏面进行微观形貌扫描,分别探讨不同条件下岩样的变形、强度及破坏特征,结果发现:(1)相比三轴加载试验,同等级围压的软岩在卸荷条件下的强度、峰值应变及力学参数都有减小,应力–应变曲线从延性向脆性转换;(2)软岩峰值轴向应变、极限强度、残余强度与卸荷应力水平、卸荷速率均呈正相关性;(3)相比Hoek-Brown经验强度准则,Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述软岩强度特性,不同应力路径对抗剪强度参数影响有差异性,卸荷速率对c值的影响更为显著,而卸荷应力水平对?值的影响更为显著;(4)软岩加、卸载条件下都发生剪切破坏,加载时除主裂纹外基本没有衍生微裂纹,卸载时,低卸荷应力水平下岩样破坏后的次生裂纹更发育,且卸荷速率越大岩样破坏程度越强烈;低围压下卸荷破坏时,岩石断面微观形貌演化自由度较高,破坏面粗糙度大。     

岩石类材料动态强度准则

岩石类材料的强度具有明显的应变率效应。首先分析了材料的单轴动态强度特性,提出了一个简单的强度公式,可以统一描述准静态到动态的单轴强度特性。随后,基于统一强度准则开展多轴动态强度研究,在双对数坐标系下,不同应变率下的子午面强度包线近似平行,材料摩擦、静水压力、中主应力效应几乎不受应变率变化的影响。由此建立动态坐标系,将统一强度准则拓展至考虑应变率效应。基于所得的准则,将单轴压缩、拉伸应力状态代入,强度准则可以描述与单轴试验相似的强度规律。最后,采用混凝土试验对强度准则进行了验证。该强度准则基于动态强度特性建立,参数物理意义明确,可以为动态响应分析提供理论基础。     

岩石指数型强度准则在主应力空间的特征

 指数型强度准则利用显式函数表示最小主应力和中间主应力对强度的影响,强度准则参数具有明确的力学含义;常规三轴压缩强度表明,随着正应力增大,剪切强度趋于常数,而破裂角趋于45°;但Mohr应力圆与外包络线在切点附近差异较小,且岩石并非均匀各向同性材料,实际破裂角与理论破裂不会完全一致。真三轴试验数据的离散性较大,强度准则参数对拟合偏差的影响并不显著,而以最小拟合偏差确定的参数未必体现岩石的真实力学性质。在研究强度准则在主应力空间内的力学特征之后,建议依据应力趋于无限时中间主应力与最小主应力对强度的影响系数在s2 = s3处相等来确定强度准则参数,由此得到的拟合误差并未显著增大。     

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。     

考虑中间主应力的路堤临界填土高度统一解及比较

 临界填土高度是软土路堤沉降和稳定控制的重要指标,首先推导3种真三轴强度准则即广义M-N准则、广义L-D准则和统一强度理论的平面应变统一表达式,进而合理考虑中间主应力影响和土体实际侧压力系数,建立地基临界荷载与路堤临界填土高度的统一解,给出公式适用条件并进行验证,最后探讨路堤临界填土高度的强度理论效应,并得出土体黏聚力和内摩擦角对路堤临界填土高度的影响规律。研究结果表明：提出的统一解具有很好的可比性,且其强度理论效应即中间主应力效应明显;M-C准则的结果过于保守,应优先选用广义M-N准则、广义L-D准则或参数b = 1/2时统一强度理论;侧压力系数、黏聚力及内摩擦角对路堤临界填土高度的影响均很显著,应原位测试确定地基土的真实侧压力系数,并充分考虑土体抗剪强度参数的变异性。     

石英云母片岩加卸荷力学特性及其卸荷本构研究

为揭示丹巴水电站石英云母片岩在不同应力路径下的力学性质,针对平行片理组和垂直片理组试件,利用MTS815岩石试验系统分别进行常规三轴压缩试验和升轴压、降围压卸荷试验,系统研究石英云母片岩在加、卸荷应力路径下的力学特性。试验结果表明,常规三轴试验下,平行组试件变形大于垂直组,变形表现出明显的各向异性特性;常规三轴试验下,垂直组试件破裂面形成时先产生主裂纹,再与次裂纹贯通、连接,平行组试件则直接由次裂纹贯通、连接,两组试件破坏面形成方式不同;加、卸荷条件下,峰值强度和残余强度均随围压的增大而增大,且垂直组高于平行组;与三轴压缩试验应力应变曲线不同,卸荷曲线具有明显的跌落段,试件表现出脆性破坏;卸荷条件下两组试件的M-C强度参数明显低于加载试验。结合石英云母片岩的卸荷特性,采用强度各向异性系数表征试件卸荷过程中的各向异性软化,建立横观各向同性岩体的卸荷本构关系,并对其合理性进行验证。研究表明,所提出的本构关系与试验结果具有很高的吻合度,能很好地表征石英云母片岩的卸荷过程。     

岩石中间主应力效应及强度理论研究进展

综述岩石中间主应力效应试验和强度理论的研究进展,总结了岩石中间主应力效应的基本规律和现有岩石强度理论的特点与不足,最后介绍了统一强度理论及其对岩石真三轴试验的预测与在岩土工程中的应用。研究结果表明:中间主应力效应及其区间性是岩石强度的重要特性,且已是目前岩石强度准则建立所必须考虑的基本问题之一;应用统一强度理论并考虑更多复杂因素的综合影响,可得到更符合实际情况的较理想解答。     

岩石材料的非线性强度与破坏准则研究

将三维应力条件下岩石材料的非线性强度特性,分解为偏平面上的非线性与子午面上的非线性,在偏平面上研究中主应力效应,在子午面上研究静水压力效应,以及中主应力与静水压力的耦合效应。通过八面体面外法线方向与空间滑动面外法线方向二者之间的线性插值,提出统一强度理论的物理模型,每一种材料对应于一个特定的剪切破坏面,进而建立广义非线性强度理论,该理论具有明确的物理模型、清晰的物理概念,4个相互独立的材料参数均具有明确的物理意义,在主应力空间的强度面连续光滑。通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可较好地描述不同类型岩石材料的非线性强度特性。基于广义非线性强度理论提出2种变换应力空间,将广义非线性强度理论分别变换为2个新空间中的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可以在变换应力空间中以Drucker-Prager准则、Mohr-Coulomb准则的形式应用。     

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。     

统一强度理论的试验数据拟合及评价

 基于中间主应力对岩石强度影响,统一强度理论可作为Coulomb准则的推广,并已得到广泛的研究和使用。利用已有的8种岩石真三轴试验结果,研究强度准则参数的确定方法以及相应的拟合误差。依据常规三轴压缩强度与围压的关系确定Q和K,再依据真三轴的强度确定参数b,统一强度理论所给出的双折线难以描述强度变化的整体趋势,对部分岩石试验数据的拟合误差超过Coulomb准则;如果以最小拟合误差为目标,对参数Q,K和b进行协同搜索,那么统一强度理论可以有较小的拟合误差,但其给出的部分岩石常规三轴压缩强度明显偏离实际结果。此外,统一强度理论认为岩石三轴伸长强度与常规三轴压缩强度相同,在最小主应力恒定时中间主应力引起的强度最大增加值随最小主应力线性增加,且强度关于中间主应力的一阶导数在峰值点是不连续的,这些都与试验结果不能完全协调。由于真三轴压缩试验结果还较少,中间主应力的试验范围也较小,而数据的离散性又较大,以最小拟合误差确定的强度准则能否适用于实际工程的分析计算,需要更深入的研究。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

复杂应力状态下岩体强度的各向异性研究

 岩体中存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度起着重要的作用,岩体可能会沿着这些不连续面发生破坏。在分析中间主应力对岩体强度影响的基础上,验证统一强度理论,并在此基础上,建立可以反映中间主应力变化的强度参数,同时采用试验对其进行验证。针对含有不连续面的岩体,分析不连续面上的应力分布,建立复杂应力条件下的岩体各向异性强度准则,并针对该强度的特殊情况作简化,分析适用条件。采用节理岩体的真三轴试验对其验证,结果表明所建立的各向异性强度准则可以恰当的反映岩体的强度。分析中间主应力,结构面倾角和走向对岩体强度的影响。     

深埋隧洞大理岩卸载路径真三轴强度参数研究

 为研究深埋隧洞围岩卸载路径破坏特性,在现场深埋试验平洞内进行大理岩原位高压真三轴卸载试验,获得大尺度(50 cm×50 cm×100 cm)、高应力( =11.2 MPa)、真三轴( ＞ ＞ )、卸 破坏状态下,能反映深埋隧洞围岩实际应力状态和隧洞开挖应力路径的大理岩全过程应力–应变曲线和三轴强度。在高压卸载路径大理岩原位真三轴试验基础上,引入H-B经验强度准则研究大理岩卸载路径真三轴强度参数。研究成果表明：(1) 对于大理岩卸载真三轴原位试验,按H-B经验强度准则评估卸载路径真三轴强度偏低情况较多,评估经验参数s = 0.003 951 7,mb = 3.414,而由试验成果反算s = 0.095 53,mb = 12.208。(2) 在H-B经验强度准则基础上,按M-C强度准则,评估大理岩卸载真三轴试验强度参数：tan? = 1.39,c = 6.61 MPa,评估未扰动大理岩卸载真三轴强度参数：tan? = 1.60,c = 6.73 MPa,前者可代表卸荷损伤岩体。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

Application of a local degradation model to the analysis of brittle fracture of laboratory scale rock specimens under triaxial conditions

Development of brittle fracture and the associated macroscopic behaviour of rock specimens in laboratory tests are simulated using a local degradation model for brittle fracture in heterogeneous rocks. We examine this subject because laboratory uniaxial and triaxial tests are widely used in the rock mechanics community to both characterise rock behaviour and to interpret fracture phenomena observed in natural rock, such as the Earth's crust, and developed around rock engineering structures. In addition, numerous historical efforts related to the detailed study of this subject have made available a great deal of information for use both as model input data and comparison results.A series of numerical experiments have been performed to investigate the influence of a number of parameters on rock fracture. In particular, rock fracture under various confining stresses has been explored. The results show that the degradation algorithm is capable of reproducing many characteristics associated with brittle fracture in heterogeneous rocks, including: the development of fracture from the elemental scale to the macroscopic scale; fracture pattern as a function of confining pressure; variation of fracture plane angle with respect to confining pressure; the complete stress–strain curve and corresponding strain energy dissipation characteristics; dependence of the stress–strain curve on confining pressure; and loading–unloading hysteresis loops.Independent investigations into the effect on rock fracture of (i) the degradation parameter embodied with the model and (ii) the Weibull shape parameter used to introduce heterogeneity distribution are described. The results indicate that the degradation parameter controls the degree of degradation relative to confining pressure. As this parameter increases, and the elemental degradation decreases, the number of failed sites generated prior to the formation of macroscopic fracture plane increases, and both the peak and ultimate strengths of the model increase.The Weibull parameter influences the formation of the final fracture plane. As this parameter increases, reducing the heterogeneity, the number of diffused failed sites and the angle of the eventual fracture plane to the major principal stress tends to decrease, and the brittleness of the resulting stress–strain curve increases. It is suggested that values in the range 2–4 are appropriate for this parameter in representing elemental strength distribution of rock materials.     

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。