考虑体积应力效应的大理岩硬化软化力学模型

以锦屏二级水电站大理岩室内三轴压缩试验结果为基础,推导了考虑体积应力效应的塑性内变量公式,并研究了大理岩强度参数及剪胀特性随内变量的变化规律,结果表明,大理岩在峰前阶段凝聚力稍有降低,在峰后阶段迅速减小;内摩擦角随内变量增加而增大,并在内变量为0.8～0.9时达到最大值;不同围压下大理岩剪胀角均随内变量增大,且表现为先增大后减小的变化趋势,但低围压和高围压条件下剪胀角变化趋势不同。在此基础上建立了大理岩考虑体积应力效应的力学模型,并通过FLAC3D模拟了大理岩室内常规三轴压缩试验,模拟结果与室内试验结果吻合很好,表明该模型可较好地反映大理岩的主要力学特性。研究方法和成果可为其他深部脆性岩体的变形破坏分析提供重要的参考价值和借鉴意义。     

考虑统计损伤模型的非均质节理岩体拉剪破坏机制研究

拉剪应力状态极易导致岩体破坏乃至失稳,为研究节理岩体拉剪破坏规律,开展了拉剪荷载下共面非贯通节理岩体变形破坏的理论与数值计算研究。通过自定义考虑岩石统计损伤演化的Mohr-Coulomb和最大拉应力准则模型,编写力学参数服从Weibull分布的fish函数,研究了拉剪条件下非均质节理岩体的破坏模式及破坏规律,讨论了岩石均质度、法向拉应力及剪切速率对岩体破坏模式及其力学性质的影响。结果表明,(1) 拉剪应力状态下节理岩体的破坏模式以张拉破坏为主,加载初期破坏位置分布散乱,随着加载和损伤演化逐渐形成带状破裂面,岩体宏观力学性质明显降低;(2) 非均质性对岩体破坏影响显著,主要表现为均质度的增加,岩体由弥散型破坏向集中型破坏转变,破裂面起伏度增大,同时岩体的宏观力学性质增强并最终趋向于均质岩体;(3) 低应力水平下拉应力增大不改变节理岩体以拉张破坏为主的破裂模式,但剪切破坏比例明显减少,同时岩体抗剪强度降低,破裂面的粗糙度增大;(4) 剪切速率对岩体力学性质的影响显著,静态加载范围内岩体抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增幅越来越小。     

大型地下洞室高边墙的拉应变准则研究

高地应力等复杂环境下大跨度地下洞室群开挖容易诱发高边墙的脆性拉裂破坏,在Mohr-Coulomb准则基础之上,基于拉应变准则,提出大型地下厂房高边墙破坏的复合拉剪屈服准则。根据弹塑性理论,张拉和剪切屈服分别采用相关联和非相关联的塑性流动法则,详细推导了该准则在有限差分法中的计算格式,并对张拉和剪切屈服面的应力空间进行了分界。利用C语言程序编写的动态链接库文件,实现了该准则在通用软件的科学仿真计算。以高应力地区的拉西瓦水电站地下厂房为工程实例,与FLAC3D自带的拉剪屈服准则相比,基于拉应变准则的计算结果表明,大跨度高边墙拉破坏明显,塑性区以及应力松弛区的面积更小,能合理描述硬岩高边墙的脆性拉裂破坏特征。大型硬岩地下洞室群的计算分析验证了该准则的合理性和实用性     

灰岩层面拉剪力学特性及层面起伏效应研究

为了研究岩石不连续面的拉剪力学行为,采用自主研制的拉剪装置开展天然灰岩层面在法向拉应力作用下的直剪试验,分析了剪切应力-位移曲线、层面断裂形态及强度特征。拉剪应力作用下断裂面无摩擦粉碎区和局部崩裂。随法向拉应力的增加,剪切强度呈非线性减小。进一步,采用PFC模拟研究了锯齿状层面起伏特征对其拉剪破裂及强度特性的影响。随法向拉应力的增大,剪切裂纹减少而拉伸裂纹增多。当起伏角较小时,裂纹沿锯齿层面产生;当起伏角较大时,裂纹在锯齿面和锯齿内均有发生。可将锯齿状层面破坏分为沿锯齿面拉伸-剪切破裂、沿锯齿面拉伸-拉剪破裂和锯齿面-锯齿混合破裂3种模式,并具体分析了各模式的损伤演化。随起伏角增大,锯齿状层面的剪切强度先减小后增大,在起伏角为30°时达到最小值;随法向拉应力的增大,剪切强度近似线性减小,可采用Mohr-Coulomb准则进行描述,其摩擦角和黏聚力随起伏角的增加而减小。剪切强度、摩擦角和黏聚力随起伏角的变化规律主要受破裂模式的控制。随着层面黏结强度的增加,从锯齿面破裂逐渐转变为锯齿面-锯齿混合破裂。当层面黏结强度达到一定值以后,拉剪强度不再增加,主要受锯齿的岩石强度控制。     

基于损伤控制方法的大理岩非线性剪胀特性试验研究

剪胀角是描述岩石体积膨胀扩容的常用参数,在非关联流动法则中,连续介质理论通常假设剪胀角为0;在关联流动法则中,其值恒定且等于内摩擦角。岩石三轴压缩全过程体应变曲线表明,其体积剪胀性依赖于围压和塑性参量,破坏过程中不仅其特征强度随围压和塑性参量呈非线性变化,而且剪胀特性也表现出非线性特征。基于塑性力学理论,针对锦屏大理岩损伤控制的全过程三轴加、卸载试验,采用双参数非线性函数拟合方法建立了能同时考虑围压效应和塑性参量的非线性剪胀角模型。结果表明,对于大理岩、中硬岩,在破坏过程中扩容行为强烈依赖围压和岩石塑性参量,均表现出先快速增加至峰值后,随着塑性变形增加逐渐减小的非线性演化规律。提出的双参数非线性剪胀角模型很好地描述了岩石破坏过程中的体积扩容特性,其结果对于研究地下工程围岩应力变化诱发的围岩剪胀破坏机制、体积扩容膨胀区范围预测和围岩支护的合理设计均具有一定的理论和工程应用价值。     

平面应变下原状黄土的剪切带研究

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,使用改进的西安理工大学真三轴仪进行了不同侧向固结压力、不同含水率下原状黄土的平面应变剪切试验,得出了剪切破坏时剪切带倾角试验值,根据应力-应变关系曲线求出了剪切带倾角的Mohr-Coulomb、Roscoe理论解,分析了相应控制因素下原状黄土强度、剪切带破坏模式与倾角的变化。结果表明：应力-应变曲线随含水率、侧向固结压力的增大从原生软化型向次生硬化型转变;剪切带破坏模式随侧向固结压力的增大依次呈现单一剪切带、锥型剪切带和X型剪切带;随着含水率的增大,黏聚力、内摩擦角减小导致Mohr-Coulomb剪切带倾角减小,剪胀作用增强导致Roscoe剪切带倾角增大;随侧向固结压力增大,动内摩擦角增大及剪胀作用增强,导致Mohr-Coulomb、Roscoe剪切带倾角增大。     

风化片岩残积土剪切特性研究

为考察片岩残积土的剪切特性,结合鄂西北山区某边坡工程,开展了风化岩残积土大型原位直剪试验,研究了风化岩残积土的结构组成、剪切面破损特性、剪切强度特性及其含石率、起伏度等相关关系。结果表明：该风化岩残积土应力-应变曲线多呈应变硬化特征,无明显峰值;束状孤石和束状石组多为翻滚和啃断破坏,起伏度随含石率的增大而增大,近似呈线性关系;爬坡效应会引起剪胀,造成剪应力和垂直应力的增大;随着垂直应力的增大,剪切破坏机制逐渐由滑移破坏变为啃断破坏,剪压应力比（剪应力与垂直应力的比值）逐渐减小。研究成果可为边坡工程变形及稳定性分析提供参考。     

非贯通单节理岩体裂纹扩展方向研究

裂纹扩展方向的确定对分析岩桥破坏机制和岩体抗剪强度参数具有重要意义。首先以断裂力学观点推导了复杂应力条件下裂纹尖端应力分布函数的表达式,以节理岩体尖端的扩展裂纹可分为张拉裂纹和剪切裂纹为前提,基于Griffith破坏判据,提出了张拉裂纹扩展方向(张裂角)的计算公式;基于Mohr-Coulomb判据,提出了剪裂纹扩展方向(剪裂角)的计算公式。通过新判据与试验和其他判据的结果对比表明,该判据能准确判断张拉裂纹扩展方向,而剪裂角的扩展方向有待进一步试验验证。分析表明:在单向拉应力作用下,张裂纹扩展方向均有偏向于最大主应力方向的趋势,张裂纹与最大主应力夹角小于15°;双向拉应力作用下,随着微裂纹倾角变大,张裂纹有远离最大主应力方向的趋势;单轴压缩作用下,张裂角随裂纹倾角的增加而减小,而两者的和为先减小后增加。      

不同环剪方式下滑带土残余强度试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡滑带土为研究对象,利用环剪仪研究了黄土坡滑坡滑带土在单级剪、预剪以及多级剪3种环剪方式下的残余强度特征。试验结果表明：不同环剪试验下剪切带的形成与剪切位移相关;残余强度随有效法向应力的增大而增大,对于已经存在剪切带的滑带土,环剪时能很快达到残余强度状态;滑带土环剪轴向压缩分初始剪胀、颗粒运移压密和稳定压密3个阶段,且每个阶段剪应力变化趋势不同;预剪试验和多级剪切试验得到的残余强度偏大,应该首选单级剪切试验测试滑带土残余强度指标。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

岩石多功能剪切试验测试系统研制

详细介绍了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统的主要功能、技术指标和仪器组成,并开展了一系列相关力学试验。该试验测试系统主要包括试验装置、测量系统和控制系统3部分,最大法向拉伸应力为40 MPa,最大法向压缩应力为120 MPa,最大水平剪切应力为120 MPa,试样尺寸为50 mm?50 mm?50 mm;可开展多种力学试验,包括直接拉伸试验、直接剪切试验、拉伸-剪切试验和压缩–剪切试验。利用该试验测试系统对花岗岩进行试验研究,研究结果表明：直接拉伸试验中,试样发生脆性破坏,声发射信号瞬间达到峰值,破坏断面表现出拉伸破坏特征;直接剪切试验中,试样发生多次破坏,破坏瞬间声发射信号均发生突增,破坏断面表现出剪切破坏特征;拉伸-剪切试验中,试样在拉应力作用下剪切强度显著降低,声发射信号在破坏阶段表现强烈,破坏断面既有拉伸破坏特征也有一定的剪切破坏特征。上述力学试验结果,表明了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统能够开展多种力学试验,为进一步研究岩石的剪切力学特性提供新的测试手段。     

土石混合料剪切特性及块石破碎特征

通过室内大型直剪试验和基于PFC2D的颗粒离散元数值模型,探讨考虑块石破碎的土石混合料的剪切特性及块石破碎特征。以土石混合料室内大型直剪试验和筛分试验为基础,提出了一种能真实描述块石形态特征并准确反映块石破碎效应的土石混合料颗粒离散元数值建模方法,模拟并分析了6种含石量土石混合料在4种不同法向应力作用下的剪切特性及块石破碎特征。结果表明：土石混合料抗剪强度随含石量的增大而增大,且基本符合摩尔-库仑（M-C）强度准则,随着含石量增大,内摩擦角呈现“慢-快-慢”增长趋势,黏聚力则呈现先增后减再增大的变化趋势。剪切后土石混合料块石破碎形式可归纳为表面研磨、局部破碎、完全破裂、完全破碎4种方式。提出了一种新的颗粒破碎指标,该指标能够准确描述粒径大于5 mm的块石的破碎程度,其随含石量和法向应力的增大而增大。通过对土石混合料颗粒离散元数值模型剪切面的分析发现,剪切面出现“剪斜”现象,其起伏程度随含石量增大愈加明显,且随着含石量增大剪切面附近剪裂隙数量增多,土石混合料在剪切过程中的破坏为拉-剪混合破坏。     

岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究

岩石内部细观裂纹的存在,对压缩作用下岩石剪切断裂的宏观现象有着重要的影响。然而,能够通过解析解阐释细观裂纹几何特性、围压等影响因素对压缩作用下剪切断裂面角度变化趋势的研究很少。基于Ashby模型中提出的裂纹尖端应力强度因子,提出了一种改进的考虑裂纹角度影响的应力强度因子表达式。利用该改进的应力强度因子表达式,推出了一个可以预测岩石峰值强度的裂纹扩展、应变与应力之间的本构关系。结合本构关系的峰值强度与摩尔-库仑失效准则,得到了岩石损伤与内摩擦角、黏聚力、剪切强度及失效断裂面角度之间的理论关系;讨论了围压、裂纹尺寸、角度及摩擦系数对岩石宏观剪切断裂面角度的影响,通过试验结果验证了模型合理性。结果表明：随着损伤增大,内摩擦角、黏聚力及剪切强度不断减小;随着围压增大、摩擦系数增大和初始裂纹尺寸减小,剪切断裂面角度不断增大;随着裂纹角度增大,剪切断裂纹面角度先减小后增大。     

Effects of crack inclination on shear failure of brittle geomaterials under compression

A micromechanics-based approach is proposed to predict the shear failure of brittle rocks under compression. Formulation of this approach is based on an improved wing microcrack model, the Mohr-Coulomb failure criterion, and a micro-macro damage model. The improved wing microcrack model considers the effects of crack inclination angle on mechanical behaviors of rocks. The micro-macro damage model describes the relation between crack growth and axial strain. Furthermore, comparing experimental and theoretical relations between crack initiation stress and confining pressure, model parameters (i.e., μ, a, β, and φ) hardly measured by test are solved. Effects of crack inclination angle, crack size, and friction coefficient on stress-strain relation, compressive strength, internal friction angle, cohesion, shear failure plane angle, and shear strength are discussed in details. A most disadvantaged crack angle is found, which is corresponding to the smallest compressive strength, cohesion, internal friction angle, and shear strength of rocks. Rationality of the theoretical results is verified by the published experimental results. This approach provides a theoretical prediction for effects of microcrack geometry on macroscopic shear properties in brittle rocks under compression.     

岩石抗剪强度参数的理论概率分布形态研究

岩石抗剪强度参数的概率分布形态是岩石工程可靠度分析和设计的基础。在考虑完整岩石压缩强度为服从正态分布随机变量的条件下,针对Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则的线性系数形式,基于随机变量函数分布理论推导出岩石抗剪强度参数内摩擦角 和黏聚力 的概率密度函数。 和 概率密度函数显示：不仅岩石压缩强度和抗剪强度参数概率分布具有非一致性,而且根据不同屈服准则计算得出的岩石抗剪强度参数概率分布也具有非一致性。在进一步分析屈服准则系数具有不同变异系数和相关系数时的抗剪强度参数概率密度函数特征的基础上,提出根据概率分布的偏度和峰度确定一般情况下抗剪强度参数概率分布形态的方法,从理论上解决岩石压缩强度与抗剪强度参数分布的协调性问题。最后,对大理岩常规三轴压缩试验得出的抗剪强度参数进行大样本统计分析,验证了其概率密度函数理论推导的正确性以及概率分布形态确定方法的合理性。该研究为实际岩石强度概率分析时选择抗剪强度参数合理概率分布形式提供了理论指导。     

A study of the behaviour of brittle rocks subjected to confined stress based on the Mohr–Coulomb failure criterion

In this study the relationship between brittle rocks’ behaviour and uniaxial compression stress is obtained based on the Mohr-Coulomb failure criterion and the behavioural characteristics of brittle rocks under uniaxial compression stress are investigated. According to the laboratory uniaxial compression tests on granite rocks, and also available results in the literature, required parameters in the study are obtained. It is indicated that the behaviour of brittle rocks which is affected by uniaxial compression is function of cohesion. In the other words, cohesion changes as the uniaxial compression increases. Also, in yield point where its stress is equivalent to the uniaxial compressive strength, the cohesion maximises. By suggesting a new viewpoint to the Mohr’s circle, normal stresses on failure plane, shear stresses tangential to the failure plane and hydrostatic stresses are investigated. Results show that, normal stress on the failure plane in yield point of the behavioural curve equals zero and shear stress tangential to the failure plane is maximum which is equal to the maximum rocks’ natural strength. Also, in this point the strength is equi-pressure, therefore the stress is of hydrostatic type.