柱状节理岩体各向异性强度准则研究

以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。     

基于二阶损伤张量的节理岩体各向异性屈服准则

 为了在节理岩体的本构关系中反映岩体几何特征的影响，采用一个二阶损伤张量，将岩体各方向截面的连通率表示为其截面法向的连续函数。根据连通率将完整岩体与完全裂隙的内摩擦系数与粘聚力加权平均得到节理岩体的各向异性抗剪材料参数，从岩体的面抗剪强度准则(莫尔–库仑条件)出发，建立了各向异性节理岩体的抗 剪屈服准则隐式表达式。在主应力轴空间内，将损伤张量分解为各向同性部分和偏量部分，以损伤张量为各向同性时的临界屈服面单位法向量和显式屈服准则的解为基础，导出了一般情况下具有一阶精度的临界屈服面单位法向量的解，相应的显式各向异性屈服准则表达式为主应力的二次式，其系数是损伤张量的函数。研究了二阶损伤张量的6个独立参量：3个主值及其主轴与主应力轴的Euler角对岩体屈服各向异性的影响。针对6个参量取值的几种代表性情况，分别采用隐式屈服准则和具有一阶精度的显式屈服准则计算出屈服应力，绘出了偏平面和子午面内岩体屈服曲线的形状。研究表明，提出的节理岩体各向异性显式屈服准则具有很高的精度。     

考虑岩体节理分布特性的各向异性强度准则研究

 针对岩体节理分布的特性,以Mohr-Coulomb和Rankine准则为基础,引入结构面网络模拟计算所得的岩体连通率和强度参数,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法。在此基础上,对岩体各向异性强度准则及其数值实现方法进行研究,并编制相应的计算程序对坝体–岩基系统的深层滑动面进行动力分析。分析结果表明,岩体在各向异性强度准则下的破坏面不一定与最大剪应力面重合;综合考虑Mohr-Coulomb和Rankine准则可改进Mohr-Coulomb准则对岩体抗拉强度过高估计的缺点,更符合工程实际;所建立的各向异性强度准则能真实地模拟各向抗力与响应的相互关系所反映的节理裂隙岩体的破坏特征。     

山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制研究

 我国西部山前的高陡构造油气蕴藏丰富,但剧烈构造运动形成的节理岩体在钻井过程中容易出现井壁失稳问题,严重制约了勘探开发效益的提高。深入研究节理岩体井壁失稳机制对解决这一难题具有重要意义。结合中国天山山脉南缘霍尔果斯构造的地质情况,利用RFPA2D-flow软件建立山前构造节理岩体的井眼模型,探讨了井眼周围应力场和渗流场的特点,模拟了井壁围岩失稳坍塌的过程,讨论了稳定井壁的对策。井壁周围的应力集中出现在水平最小主应力方位上,而渗流则主要发生在水平最大主应力方位的节理面上,随着渗流作用节理面上流体压力逐渐升高,并导致围岩在节理面上发生拉张破坏而坍塌,井壁坍塌主要出现在水平最大主应力方位上。这一结果合理解释双井径测井曲线上井眼长轴发生翻转的现象。研究结果表明,降低节理面的渗流速度能够明显地减轻节理围岩的失稳,说明加强钻井液封堵性能对稳定井壁具有针对性;过低的井眼液柱压力会导致水平最小主应力方位上井壁围岩剪切破坏,然而过高的井眼液柱压力却对水平最大主应力方位上节理围岩的稳定产生不利影响,说明控制泥浆密度上限是必要的。研究成果对山前高陡构造钻井的井壁稳定问题具有参考价值。     

考虑各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度研究

 由于岩体结构面形貌的复杂性,目前,所提出的峰值剪切强度模型不能够很好地体现其各向异性特征。鉴于此,综合考虑岩体结构面起伏角和起伏幅度,提出一个考虑各向异性特征的综合参数?表征岩体结构面粗糙度的新方法;?由某一方向的起伏角参数SRv和起伏幅度参数A表示;其中参数SRv表示结构面粗糙度的各向异性特征,用变异函数分析方法进行计算获得。然后,应用该法分析Barton十条标准轮廓线,拟合出JRC与参数SRv,A的关系表达式;结合Barton强度公式,给出考虑各向异性特征的岩体结构面峰值剪切强度模型。最后,基于ShapeMetriX3D三维形貌测量系统,在实验室开展类岩体结构面形貌的量测;并应用上述方法估算结构面4个方向上的峰值剪切强度。于此同时,开展该类岩体结构面各向异性的剪切力学试验,通过试验值与估测值的对比分析,验证了所提模型的正确性。研究结果为准确预测岩体结构面抗剪强度提供一种新方法。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

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。     

含断续节理岩体强度的各向异性研究

根据断续节理岩体结构的力学效应和压剪断裂破坏特征，用Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ经验准则预测含断续节理岩体的强度，建立强度参数ｍ，ｓ值与断续节理的几何尺寸、结构形式以及岩桥和节理面物理力学参数之间的定量关系，阐明含断续节理岩体强度的各向异性特征，提出合理确定断续节理岩体强度参数ｍ，ｓ的定量分析法。     

节理岩体正交各向异性等效强度参数研究

将节理裂隙视为岩体的损伤,利用岩体裂隙网络模拟技术、损伤力学和节理张量理论对等效抗剪强度参数(即黏聚力和摩擦系数)进行了研究。在岩体损伤力学研究成果的基础上,研究了包含多组节理裂隙的岩体在空间任意截面上损伤变量的近似计算方法;以损伤变量作为加权系数,将岩块和结构面抗剪强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数;根据岩体在各空间截面上的等效抗剪强度参数计算成果,将岩体抗剪强度参数等效为正交各向异性变化的抗剪强度参数;编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果和计算程序的正确性。     

用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析

通过对节理岩质边坡非线性有限元模型进行强度折减，使边坡达不到稳定状态时，有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数就是稳定安全系数。同时可得到边坡破坏时的滑动面以及破坏过程，有传统条分法无法获得节理岩质边坡的滑动面与稳定安全系数，该方法为节理岩质边坡稳定分析了开辟新的途径，通过算例表明了此法的可行性。     

基于V.RQD值与Hoek-Brown准则的破碎岩体强度研究

被多组贯通结构面切割后产生的大体积破碎岩体在不同围压下仍具有一定的强度,但通过Hoek-Brown准则对其进行强度评价时,因对岩体结构划分缺乏定量描述,使得参数m与s的取值很难准确确定。在传统RQD值不足的基础上,引入不同阈值下的三维体积V.RQD值概念,建立破碎岩体质量指标V.RQD值计算机模拟方法,结合RMR评分标准和Hoek-Brown强度准则,通过探讨三维体积V.RQD值的取值范围,得到不同阈值时岩体质量参数m,s值与Hoek-Brown强度包络线以及岩体变形模量E0等之间的一些变化规律,定量化表述V.RQD值对破碎岩体强度的影响。结果表明,V.RQD值作为岩体质量指标之一,可为破碎岩体的强度估计提供新的实用途径。     

基于统计损伤理论的莫尔-库仑岩石强度判据修正方法之研究

首先，引进基于莫尔-库仑岩石强度判据的岩石微元强度表示方法，从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发，基于岩石三轴应力-应变试验曲线建立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型；然后，通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与围压的关系对模型参数进行了合理修正，从而建立出更加符合实际的岩石三维损伤软化统计本构模型；最后，存此基础上，根据岩石屈服或破坏的概念，重点探讨了利用多元函数求极值的方法建立岩石强度判据的途径，从而对莫尔-库仑岩石强度判据进行了合理修正，修正后的莫尔-库仑岩石强度判据与实测结果及莫尔-库仑岩石强度判据比较表明，其具有明显的优越性。     

深部岩体强度准则

提出一种新的适用于深部岩体的强度准则,该准则考虑深部岩体的拉伸破坏,同时考虑深部岩体的剪胀和剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,而且与RMR岩体地质力学分类指标建立联系.深部岩体准则中的参数均有明确的物理意义,可以很容易通过实验确定或通过RMR岩体地质力学分类确定.该准则不仅可考虑所有应力分量对材料破坏的影响,而且可反映深部岩体的受力特点.最后,将新准则与实验结果进行比较,从而验证了新准则的有效性.     

一种确定节理岩体残余强度参数方法的探讨

 岩体的地质强度指标(GSI)集中考虑岩体结构和结构面表面特征2个方面的因素,已被广泛地应用于岩体强度参数与变形参数的计算中。在GSI系统的基础上,采用残余GSI量化评价方法,通过对峰值地质强度指标GSI进行折减,以得到残余地质强度指标 ,据此来计算节理岩体的残余强度参数。首先,结合岩体分类指标法(RMi),在 和 的基础上探讨残余岩块体积 和残余节理条件系数 取值的确定方法;然后,由 和 计算出 ,据广义Hoek-Brown准则计算出节理岩体的残余强度参数,重点对4种典型岩体的残余强度取值进行分析,讨论残余岩体体积对岩体残余强度参数的影响;最后,通过对岩体原位剪切实验数据和一桥墩承台开挖边坡的稳定性反分析,证实基于 指标的节理岩体残余强度参数确定方法的合理性和可靠性,为节理岩体残余强度参数的确定提供一条新的思路。     

节理岩体力学参数的选取与应用

在岩块的变形和强度参数及岩体结构面的野外统计窗资料的基础上，利用损伤力学和Hook-Brown准则进行节理岩体力学参数的选取，从而为岩体工程数值模拟提供较可靠的参数。最后，给出了该方法应用于浙江三门核电厂人工边坡数值计算的实例。