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。     

考虑中间主应力的原位岩体强度参数取值研究

为了研究深部隧洞或地下厂房围岩在三向应力状态下的强度特性,开展玄武岩和片岩原位真三轴卸载试验,基于Mohr-Coulomb强度准则和Mogi强度准则,探讨考虑中间主应力影响的岩体强度参数取值问题。分析结果表明:(1)对于玄武岩和片岩原位真三轴试验,采用Mohr-Coulomb强度准则的回归方程满足显著性水平?=0.05的检验要求,采用Mogi强度准则的回归方程则可满足显著性水平?=0.01的检验要求,因此采用Mogi强度准则拟合现场岩体真三轴试验结果更加可靠;(2)考虑中间主应力影响的Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数?值比忽略中间主应力影响的Mohr-Coulomb强度准则确定的?值高约6%,但是Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数c值,则比Mohr-Coulomb强度准则确定的c值低约60%。     

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。     

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。     

岩石真三轴强度与Mohr-Coulomb准则形状函数修正方法研究

基于颗粒流理论和PFC3D程序,建立Lac du Bonnet花岗岩的BPM模型,施加周期性边界条件。通过使周期性空间扭曲变形,保持恒定的平均应力p和Lode角q,进行真三轴试验,提出一种修正Mohr-Coulomb准则形状函数的新方法。建立试样的三维强度包络面,并从三轴平面、双轴平面和p平面3个角度,探讨Mohr-Coulomb准则的局限性:(1)Mohr-Coulomb准则预测的单轴抗拉强度偏大。(2)Mohr-Coulomb准则未考虑中间主应力的影响。(3)Mohr-Coulomb准则适用范围有限,在30 30s-°q°范围内,Mohr-Coulomb准则强度偏于保守。探索中间主应力对岩石强度的影响规律,结果表明:当2s处于低值时,1s随2s的增大而增大,而后达到了"平台期";当2s处于更高应力状态时,1s随2s的增大而减小。通过考虑中间主应力的影响,将Mohr-Coulomb准则形状函数修正为关于平均应力p的函数。将拟合的K值与修正的Lade-Duncan准则预测值进行比较,结果表明,本文的修正方法比修正的Lade-Duncan准则能更准确地描述岩石的常规三轴强度,研究方法及结论可为岩石强度研究提供有益参考,且具有一定的实际工程意义。     

基于新型茂木式试验机的真三轴试验及加载边界效应研究

介绍新研制的茂木式岩石真三轴试验机,并利用互扣式端部垫块对大理岩进行真三轴试验。利用试验和模拟相结合方法对真三轴试验机的加载边界效应进行研究。研究表明:随中间主应力的增大,岩石峰值强度增大,达到一定值后随着中间主应力的增大而减小;同时,岩样脆性随中间主应力的增大而增强,扩容现象延后。传统式垫块加载真三轴试验过程中,由于空白角的存在,产生应力集中,对岩样应力、应变分布造成明显影响,岩样将在空白角处产生不均匀变形。岩样在互扣式垫块加载方式下的强度略大于在传统式垫块加载方式下的强度。     

真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

 为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等?3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。     

考虑围压效应和塑性演化机制的中密砂力学模型

为了实现对中密砂工程受荷变形的准确预测,基于岩土材料宏观弹塑性理论框架和三轴试验结果,分析中密砂变形、强度的影响因素和特征,建立适应的屈服准则、硬化法则和流动法则。研究结果表明:(1)中密砂的三轴力学特征对围压较为敏感,随围压增大,应力–应变曲线形态逐渐变化,线性段斜率和峰值强度增大,软化段减弱并消失,体积应变–轴向应变曲线线性段斜率基本无变化,体积剪胀程度减小,高围压试验结束时体积应变相对初始加载时仍处于剪缩状态;(2)考虑中密砂的围压效应和剪切破坏,采用第三主应力和等效塑性剪应变增量表达塑性内变量,峰值点处塑性内变量大于0.5,相对岩石更为滞后;(3)弹性模量随围压呈指数型函数规律增大,泊松比近似为常数;(4)塑性变形过程中最大主应力和最小主应力近似符合线性规律,内摩擦角近似线性增大,黏聚力先增大后减小并符合指数类函数特征;(5)剪胀角在低围压下随塑性变形逐渐减小,高围压下先增大后减小,高围压下剪胀角低于低围压;(6)数值曲线与试验数据吻合度高,可表达中密砂围压效应和塑性演化机制,适用于对应力状态敏感的中密砂的精确计算。     

Mechanical characteristics of the exponential strength criterion under conventional triaxial stresses

The minor principal stress is the key factor influencing the mechanical property of rock, and the strength criterion of conventional triaxial stresses is the basis of any true triaxial criterion. This paper examines the Coulomb criterion, Hoek–Brown criterion, the generalized Hoek–Brown criterion, and the exponential criterion proposed by the author. The procedure to determine the parameters in criteria is studied. Parameters in the generalized Hoek–Brown criterion are sensitive to the power n, thus Coulomb criterion with n=1.0 and the original form of Hoek–Brown criterion with n=0.5, especially that determined by linear regression, are not the best choice for the fitting solution of test data. The exponential criterion determined on the least absolute deviation will approximate a great number of normal test data, and expose the oddity data. It can describe the relation between strength and confining pressure in the entire stress range, with low misfit. The uniaxial compressive strengths predicted by the exponential criterion are nearly the same as the real magnitudes for all rocks. The deviator of strengths under conventional triaxial extension and compression is larger than half of the maximum strength increase from the intermediate principal stress. Therefore, the parameters in the exponential criterion may be completely determined from the strengths under conventional triaxial compression and extension.     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

真三轴条件下的岩石细观损伤力学模型

本文提出了真三轴条件下的岩石细观损伤力学模型，建立了岩石的损伤演化方程，给出了损伤柔度的求解公式。数值分析表明中主应力对岩石应力－应变关系有明显的影响，一般表现为随中主应力的增加，最大主应力方向的变形减小，最小主应力方向的变形增大；但当最大主应力很大时，大的中主应力反而使最大主应力方向的变形增加，最小主应力方向的变形减小。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

堆积软岩的强度及蠕变特性的三轴及平面应 变试验研究

 堆积软岩的力学特性是依存于应力条件的,但由于高强度岩土材料的试验难度较高,软岩的平面应变或真三轴试验比较少。采用新研制的仪器对堆积软岩进行三轴及平面应变剪切及蠕变试验。首先介绍新研制的平面应变试验仪,该试验仪可以实现初始等向固结,还可以测定试样剪切带内部或附近的孔压变化;然后介绍试验流程,包括试样的制作和饱和过程;最后对不同应力条件下软岩的应力–应变关系、应力比–剪涨比关系、蠕变破坏特性等试验数据进行详细分析。研究结果表明：平面应变状态下软岩的强度增加而剪涨量减少;相比于传统的八面体应力空间,建立在tij应力空间中的塑性势更适合软岩;无论三轴还是平面应变条件下,只有当荷载水平达到某一阈值之后软岩才会发生蠕变破坏;蠕变破坏所需时间与荷载相关。     

岩石强度准则的真三轴压力试验检验与分析

本文探讨了脆性破坏岩石的强度准则。根据应力空间岩石强度极限曲面的特征,选择能够反映岩石强度极限曲面特征的双剪应力和八面体剪应力两类强度准则,进行岩石强度极限曲面的回归分析,并做了红砂岩真三轴压力强度试验。根据真三轴压力强度试验资料,通过对八种岩石强度准则的回归分析对比,推荐两种三参数的双剪应力和八面体剪应力强度准则。     

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。