非线性Mohr-Coulomb准则适用范围及其改进研究

SINGH M为克服（Mohr-Coulomb M-C）准则只能线性表征岩石强度随围压变化这一局限性,在M-C准则的基础上添加一个修正项对其进行改进,提出非线性M-C准则。该准则认为,岩石在围压达到其单轴抗压强度时岩石就进入临界状态,此观点与部分岩石的试验结果有较大的出入,使得该准则的适用范围受到影响。为拓宽非线性M-C准则的适用范围,通过对其修正项的进一步改进,提出M-C准则修正一般表达式。应用11种岩石三轴试验数据对M-C准则修正一般表达式、非线性M-C准则和目前岩石力学界认为较好的双曲线型准则的精度进行比较,结果显示,M-C准则修正一般表达式对岩石三轴强度的拟合精度高于其他两种准则,且由岩石三轴试验强度的一致性更好。证明M-C准则修正一般表达式优于非线性M-C准则,且适用范围更广。     

常规三轴压缩条件下的负乘方型岩石强度准则

为较高精度地评估岩石在不同围压条件下的三轴强度，根据岩石破坏时的主应力差与围压呈上凸的非线性特征，提出负乘方型强度准则。通过将该准则与Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则进行精度比较，结果表明，乘方型准则参数对围压变化具有较低的敏感度，且该准则可以更高精度地评估岩石三轴强度。应用公开发表文献中多种不同类型岩石的三轴试验数据，对负乘方型强度准则的适用性进行验证，结果显示，在不同围压条件下，该准则评估的岩石三轴强度与试验强度均非常一致，说明负乘方型准则对评估不同类型岩石的三轴强度具有较好的适用性；同时，通过与目前岩石力学界认为较好的指数型准则的比较，得到两种准则评估的岩石三轴强度平均相对误差MRE均在5%以内，其中负乘方型准则具有更高的精度。该准则可为深部岩石工程开挖与支护等设计提供参考。      

不同应力路径下岩石三轴卸荷力学特性与强度准则研究EI北大核心CSCD

基于3种不同应力路径下花岗岩三轴卸荷试验,研究了岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征及其强度准则。试验结果表明,卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性后呈非线性关系,且其增长速率约为轴向应变增长速率的3-5倍,表现出明显的侧向扩容,其扩容程度与卸载路径有关;从不同围压与体积应变曲线所围面积可以看出,卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大,总体上呈负指数分布趋势,且同一种卸荷应力路径时,变形模量的减小量随初始围压增大有所增大,泊松比随围压降低而不断增大,两者之间呈现明显的非线性关系;岩石破坏特征以剪切破坏为主;采用幂函数型摩尔强度准则很好反应了岩石的强度特征。研究结果对地下金属矿深部开采具有一定的指导意义和参考价值。     

不同应力路径下岩石三轴卸荷力学特性与强度准则研究

基于3种不同应力路径下花岗岩三轴卸荷试验,研究了岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征及其强度准则。试验结果表明,卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性后呈非线性关系,且其增长速率约为轴向应变增长速率的3～5倍,表现出明显的侧向扩容,其扩容程度与卸载路径有关;从不同围压与体积应变曲线所围面积可以看出,卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大,总体上呈负指数分布趋势,且同一种卸荷应力路径时,变形模量的减小量随初始围压增大有所增大,泊松比随围压降低而不断增大,两者之间呈现明显的非线性关系;岩石破坏特征以剪切破坏为主;采用幂函数型摩尔强度准则很好反应了岩石的强度特征。研究结果对地下金属矿深部开采具有一定的指导意义和参考价值。     

考虑应变率效应的广义Hoek-Brown动态强度准则

岩石强度特性具有明显的围压效应和应变率效应,研究复杂应力状态下动态强度准则对于岩石动力学分析至关重要。利用10~(-5)~10~(2.32) s~(-1)应变率范围内砂岩静动态间接拉伸和单、三轴压缩强度试验数据,进行了广义Hoek-Brown强度准则预测砂岩动态强度的适用性研究,分析了材料参数的应变率效应。结果表明,广义Hoek-Brown强度准则能够较好地描述同一应变率下较低拉应力区到较高压应力区砂岩强度规律,低应变率区单轴抗压强度c_s和参数a变化不大,高应变率区随应变率的增加非线性增大,而参数m几乎不受应变率影响。基于分析建立了单轴抗压强度c_s和参数a的应变率效应函数关系,提出了由低应变率到高应变率下的广义Hoek-Brown动态强度准则统一表达式,进一步探讨了岩石强度依赖应变率效应和围压效应的物理机制。     

几种岩石强度准则的对比分析

采用常规三轴试验数据,以最小平均拟合差为评价指标定量地对比分析5种强度准则描述岩石非线性强度特征的适用性。结果表明：直线型Mohr-Coulomb准则不能描述岩石强度的非线性特征;抛物线型Mohr-Coulomb虽能描述岩石强度的非线性特征,但拟合误差较大,计算所得强度参数与事实不符,不宜使用;对于中低围压（ ）下岩石强度的非线性特征,单参数Bieniawski准则拟合精度与Hoek-Brown准则相当或稍好,拟合精度接近于指数强度准则,均优于双参数Bieniawski准则;在高围压下岩石强度非线性特征较为显著,应用单参数Bieniawski 准则或Hoek-Brown准则描述误差较大,三参数Bieniawski准则和指数强度准则拟合误差较小,可用于评价深部或特深部高应力状态下岩石的强度特征。     

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。     

深埋脆性岩石力学参数评估与变形特性探讨

隧道工程开挖深度有逐渐增加的趋势,深部岩石具高强度及高应力环境。虽然脆性岩石在高围压应力下,将转而呈现延性特性,但隧道开挖所产生的径向解压,使隧道周边一定范围内的岩体处在低围压状态,故这部分围岩的变形仍由脆性性质所掌控。对于脆性岩石呈现峰后强度弱化特性,文中汇整各种岩石峰后强度弱化参数评估方法后,提出结合Hoek-Brown准则与岩心试验的强度损失试验评估法。以实际工程案例分析结果显示,600 m埋深时岩石峰后强度弱化与否,对隧道围岩变形量影响不大,但隧道埋深超过2 000 m后,变形量的差异将达到3～4倍左右,显示脆性岩石峰后强度弱化特性,对深埋隧道施工变形影响不可忽视。     

基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究

进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi-Coulomb准则和强度参数变化规律;建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系。在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi-Coulomb准则和拉剪Mogi-Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则。基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力-应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应、横向变形作用、卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程。     

含盐冻结粉质砂土的强度参数和强度准则试验研究

对含盐冻结粉质砂土进行温度-2 ℃、-4 ℃、-6 ℃和围压0.3~16 MPa的三轴强度试验. 结果表明: 含盐冻结粉质砂土应力-应变曲线在低围压和高围压表现为应变软化特征, 中围压为理想塑性变形特性; 随着围压的增大, 强度先增加后减小. 在围压小范围内得到广义黏聚力和广义内摩擦角, 并得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压和温度的变化规律; 同时, 针对强度随围压的变化, 提出非线性强度准则.     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

不同围压下板岩三轴压缩过程能量及损伤分析

根据不同围压下板岩三轴试验的结果,研究不同围压下板岩的能量变化规律和损伤分析。研究结果表明,不同变形阶段板岩的弹性应变能、耗散能的变化情况不同,弹性应变能先增加后减小,耗散能加载初期几乎为零,进入屈服段急剧增加。根据弹性应变能与总吸收能之比将岩石压缩过程中裂隙发展划分为3个阶段:裂隙稳定发展阶段、裂隙加速发展阶段和裂隙贯通阶段。岩样破坏后总吸收能、耗散能与围压的关系表明,从开始加载到屈服段,畸变比能和体变比能之和Ue'大体等于弹性应变能Ue;从屈服段到峰值强度,Ue'小于Ue且差值越来越大。从能量角度定义损伤变量,认为:低围压状态对应较低的耗散能、较高的损伤值;高围压状态对应较高的耗散能、较低的损伤值。      

冻结粉土强度准则探讨

冻土的强度随围压的增加呈先增大后减小的趋势,通过修正子午面内q-p曲线的斜率M*来探讨冻土强度变化规律。基于摩尔圆和包络线定理,推导了冻土内摩擦角随平均正应力的变化规律。假定偏应力的大小采用Mohr-Coulomb和Von-Mises强度准则的组合形式表示,将内摩擦角引入到偏平面中获得了偏平面内的强度准则。在不同温度（-6、-10、-15 ℃）和0.3～15.0 MPa围压下对冻结粉土进行了一系列低温三轴压缩试验,根据试验结果确定了子午面和偏平面的相关强度参数。结果表明：（1）子午面内的强度准则能较好模拟冻土在低围压下的强化效应和高围压下的弱化效应;（2）内摩擦角随平均正应力增大呈先增大后减小的趋势;（3）随控制参数s的增加,在偏平面内偏应力由Mohr-Coulomb包络线逐渐向Von-Mises包络线转化,其形状大小与极限强度值呈一一对应关系。最后通过试验结果与已有的强度准则对比表明：修正的强度准则具有一定的适用性。     

硬石膏常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

采用伺服刚性试验机对硬石膏进行了不同围压下的常规三轴试验,研究了硬石膏的强度和变形特性。结果表明,在低围压下硬石膏破坏方式为剪切破坏;在围压超过10 MPa时,硬石膏表现出明显的塑性流动特性。观察试验后试样发现,在围压为18 MPa时,硬石膏已经没有明显的破坏面,而是表现出明显的膨胀现象。硬石膏的峰值强度与围压近似成正比例关系。分析了峰值应变、弹性模量随围压的变化规律,其结果表明：随着围压的升高,硬石膏的的峰值应变与弹性模量均逐渐增加。根据三轴试验结果绘制了摩尔包络线,采用回归分析得到了强度准则和抗剪强度参数c、? 值,其研究结果可为地下工程提供参考与借鉴。     

高应力状态下的黄土抗剪强度特性研究

土体抗剪强度包络线在一定的应力范围内可近似看做直线, 一般工程中直剪试验正应力和三轴试验围压常为0～400kPa, 试验可得出以黏聚力c和内摩擦角确定的强度。在黄土地区, 人工和自然边坡可超百米, 坡内应力自低到很高变化范围大, 对该类高边坡需考虑强度参数随应力状态的变化。本文先通过线弹性有限元模拟一黄土高边坡应力场。以潜在滑面上关键点的应力为固结应力进行三轴压缩试验(NCTC)。为了对比分析, 又进行了100kPa、200kPa、300kPa、400kPa围压下的三轴压缩试验(CTC)。结果表明, 考虑黄土高边坡应力状态时, 由总应力莫尔圆得到的强度包络线为曲线, 直线型莫尔-库伦强度准则不适用; 而有效应力莫尔圆的到的强度包络线可为直线, 其有效强度参数高于CTC试验。在-应力空间中, NCTC试验总强度包络线和有效包线均位于CTC试验强度包线之上, 抗剪强度高, 这同固结应力高且为偏压固结有关。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一, 对于钙质砂这种易破碎的材料更是如此。为进一步弄清颗粒破碎对钙质砂的应力-应变强度影响, 本文对钙质砂进行三轴固结排水剪切试验得到应力-应变曲线, 并筛分得到三轴试验前后钙质砂颗分曲线。通过引入Hardin定义的颗粒相对破碎率Br, 分析了相对密度、围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对钙质砂应力-应变和抗剪强度的影响。结果表明:随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小, 直到破碎达到一个上限值, 此时围压和相对密度对颗粒破碎影响很小; 颗粒间的滑动标志着应力达到极限状态, 而颗粒破碎会阻碍应力达到极限状态, 在本实验中, 低围压时颗粒破碎少, 颗粒相对运动形式为滑移, 使应力-应变曲线为软化型, 高围压下颗粒破碎严重, 颗粒破碎在剪切过程中始终发生, 使应力-应变曲线呈应变硬化型; 颗粒破碎使体变从剪胀逐渐发展到剪缩, 且破碎越严重剪缩越严重; 在低围压下钙质砂强度主要由剪胀和咬合提供, 高围压下颗粒破碎严重, 剪胀消失, 咬合减小, 使峰值摩擦角减小, 抗剪强度降低。     

软岩三轴加-卸载试验的破坏特征及抗压强度取值方法研究

软岩三轴加、卸载试验中的抗压强度参数取值是一个非常关键的问题,目前还没有比较确定的方法,通常根据经验或工程要求确定。基于此,结合一组砂质泥岩的三轴加、卸载试验进行了详细研究,试验结果表明:(1)当围压大于10 MPa时,不论是三轴加载试验还是卸载试验,砂质泥岩均表现出明显的应变硬化特性;(2)砂质泥岩在三轴压缩和三轴卸荷两种应力路径的力学响应差别明显,在卸荷条件下通常只存在一条完整的剪切破坏面,而压缩条件下岩样没有明显的控制破裂面,并且剪胀效应明显;(3)将半对数法引入到软岩三轴加、卸载试验数据分析中,可以比较方便地确定软岩三轴加、卸载试验的抗压强度;(4)基于三轴加、卸载试验过程中的应力、应变增量分析,将软岩变形破坏过程分为3个阶段:平滑阶段、规则跳跃阶段和急剧跳跃阶段,各阶段划分的意义明确,可以作为抗压强度确定时的重要参考,因此,在软岩三轴试验数据分析时,可以综合采用这两种方法。研究提出的抗压强度确定方法可操作性强,在其他软岩三轴试验数据分析中值得参考借鉴。