高地应力下硬岩的本构模型研究

传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏的范围和深度方面并不理想。针对高应力下的拉西瓦花岗岩,通过真三轴压缩试验模拟了开挖时应力路径的演化。在摩尔-库仑强度准则、格里菲斯强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论和霍克-布朗强度准则的基础上,考虑十二面单元体主剪面上主剪应力、正应力和静水压力的共同作用,提出了一个有关高应力下硬岩的三剪强度准则。根据试验结果,利用遗传算法全局寻优的功能,搜索出了三剪强度准则的参数。预测样本和与摩尔-库仑强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论的比较表明,该三剪强度准则与试验结果吻合,适用于高地应力下的硬岩。根据试验得到的应力-应变关系曲线,建立了基于三剪强度准则和应变软化的弹-脆-塑性本构模型,并用FLAC3D提供的基于C++的用户自定义模型工具UDM,创建了用户自定义模型的动态链接库,嵌入了FLAC3D软件。采用遗传算法-FLAC方法,搜索得到了基于岩石试样和岩体的本构模型参数。计算结果与实测情况吻合,表明建立的本构模型适用于高地应力下的硬岩,为高地应力下硬岩地下工程的安全性和稳定性分析奠定了基础。     

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

双剪双参数强度准则硬化函数的探讨

目前双剪强度理论在工程实际中得到了广泛的应用。基于双剪理论和相关流动法则,采用各向同性强化法则,选用等效塑性应变作为强化参数,从一致性条件出发,推导出双剪双参数强度准则本构模型硬化函数的显式表达式,并利用单轴加载试验数据得到硬化函数与硬化参数之间的微分关系,推导出考虑硬化的双剪双参数强度准则本构模型的弹塑性刚度矩阵,给出了求解双剪强度理论硬化函数的另一思路。通过工程算例验证,得出一些结论对实际计算具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

岩石材料的一种非线性三参数强度准则及应用

为了更好地描述岩石材料在多种复杂应力作用下的强度状态,在已提出的双T~2强度理论基础上,建立了一种新的非线性三参数强度准则。通过与Westerly花岗岩等5种岩石材料试验数据的比较,对准则在σ_1=σ_2σ_3,σ_1σ_2=σ_3,σ_3=0、σ_10、σ_20,σ_30和σ-τ 5种复杂应力状态下的合理性和适用性进行了讨论。研究表明:待定系数A、B、C可通过简单的试验确定且具有明确的物理意义;不同岩石材料的极限应力比α和β对应不同的强度理论;非线性三参数强度准则的π平面迹线介于单剪强度理论和Mises准则、双剪强度理论之间,符合各向同性材料屈服面三轴对称和外凸的公设;理论预测曲线可反映岩石材料中主应力效应的区间性与静水压力效应,并与多种岩石材料在复杂应力状态下的强度变化趋势基本吻合。     

软岩洞室最优支护的广义SMP准则解与对比研究

现有洞室最优支护设计均基于Mohr-Coulomb（简称M-C）准则,不能真实反映岩石强度的中间主应力效应以及围岩的三向不等应力状态。基于广义SMP准则和稳定蠕变J3准则,考虑中间主应力对岩石强度的提高作用,建立了软岩洞室最优支护力与围岩允许最大位移的理论解答。洞室最优支护解答对M-C准则、外接圆Drucker-Prager（简称D-P）准则均具有很好的拓展性,且工程实例验证了其正确性。研究结果表明：3种强度准则结果间的差异实际反映的是对中间主应力效应的不同考虑,M-C准则和外接圆D-P准则对应的结果是两个极端情况,推荐选用广义SMP准则解答;岩石长期强度是洞室最优支护设计的关键参数,围岩凝聚力与内摩擦角的影响亦很显著,应合理测定岩石的强度参数并充分考虑变异性。     

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。     

空心圆柱砂岩真三轴试验研究

利用岩石空心圆柱扭剪试验系统针对灰砂岩进行真三轴试验研究,分别开展控制（σ2-σ3）（σ2为中间主应力,σ3为最小主应力）条件压缩试验和恒σ3、变σ2条件压缩试验,对灰砂岩的应力-应变规律、强度特性及破坏特征进行详细分析,并进一步探讨了中间主应力效应,最小主应力效应,应力洛德角效应以及强度准则的适用性。研究结果表明：岩石空心圆柱扭剪试验系统能够实现真三轴应力状态的模拟,相较于常规的实现方式,该方法可避免端部摩擦的影响;内外围压的压差对岩石强度有很大影响,尤其是在高围压下,较大的压差使得岩石强度迅速弱化导致剧烈破坏;中间主应力对岩石强度影响显著且具有区间效应,最小主应力对岩石强度有强化作用,该特点对于实际工程开挖岩体的高效及时支护具有重要的指导意义;进一步地,根据所获试验结果对现阶段用于描述岩石力学特性的强度准则进行分析,认为采用指数强度准则能合理反映岩石真三轴应力状态,具有较好的适用性,可用来评价实际工程中岩石的强度特征。     

一种修正的Drucker-Prager屈服准则

Drucker-Prager（以下简称D-P）屈服准则因其形式简单、物理意义明确而得到广泛的应用,然而经过多年的应用和研究,其缺点逐渐显现出来,如拉剪区偏大、不具有应力角效应等,针对这些不足,提出了修正的D-P屈服准则。在拉剪区用圆球面和横截面的组合方式代替原来的圆锥面,从而不改变D-P屈服准则压剪区的形式,在考虑岩石实际的拉伸强度的同时,也满足该屈服准则经过单轴抗拉强度点的条件;为考虑岩石在三轴压缩和三轴拉伸状态下不同的强度特性,即应力角效应,引入了一种角隅模型;为保证屈服准则始终通过岩石的单轴抗压强度点,建议了一种材料参数k值的取值方法。为验证屈服准则修正后的适用性和正确性,将修正屈服准则与真三轴试验结果进行了拟合,同时与Mohr-Coulomb（以下简称M-C）准则进行对比,结果表明,修正屈服准则可以很好地描述试验现象,且比M-C准则更接近真实结果。     

高应力区岩石统计损伤本构模型研究

为了反映高应力区岩石变形破坏全过程,通过引入双参数抛物线型Mohr强度准则,建立适用于高应力区岩体的微元强度度量方式,并假定由该度量方式得到的微元强度服从幂函数概率密度分布,结合连续损伤理论,考虑损伤变量修正,建立一个新的适用于高应力区岩体的统计损伤本构模型。以高应力区英安岩为验证对象,进行常规三轴压缩试验,依据岩石应力-应变曲线特征,给出模型参数确定方法。引用基于线性Mohr强度准则而建适用于浅部低应力水平岩体的相关统计损伤模型,利用该模型和所建模型对高应力区英安岩和相关文献中的高应力区砂岩、花岗岩试验数据进行验证,对比试验曲线和理论曲线,证明所建模型的可行性和适用性,并对英安岩累积损伤的扩展过程进行分析。     

双剪统一强度准则改进及其在岩土工程中的应用

在分析Mohr-Coulomb强度准则和双剪统一强度准则的基础上,提出了主剪面应力对和主剪面应力对的作用这2个新概念,并以此为出发点,通过考虑十二面体单元主剪面上所有3个主剪面应力对的共同作用,在双剪强度准则的基础上提出了一个新准则,并对其作了极限线分析.应用该新强度准则研究了静水压力条件下圆形巷道围岩弹塑性分析和土压力计算问题.研究表明,该准则不仅能较好地非线性反映岩土的3个基本强度特征,还解决了双剪统一准则中存在的双重破坏角问题.     

中主应力对饱和松砂不排水单调剪切特性的影响

利用土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪,针对相对密度为30 %的福建标准砂,在不排水条件下控制主应力方向、中主应力系数、平均主应力保持不变,进行了单调剪切试验。以此着重探讨了中主应力系数对相变有效内摩擦角、峰值有效内摩擦角及有效应力路径的影响。研究表明,中主应力系数对在不排水单调剪切条件下饱和松砂的强度参数具有显著的影响,而对有效应力路径及应力-应变关系发展模式影响较小。基于广义双剪强度准则,从理论上探讨了土的强度参数对于中主应力的依赖性,并与试验结果进行了对比。     

水利水电工程岩基抗剪强度参数二维分布模型构造的Copula方法

基于国内103个水利水电工程1 174组岩基抗剪强度试验数据,采用Copula函数研究岩基抗剪强度参数联合分布模型,探讨水利水电工程中岩基抗剪强度参数联合分布模型构建方法。利用最小二乘法求出岩基抗剪强度参数试验数据的相关统计参数,基于AIC准则识别出岩基抗剪强度参数边缘分布。选择4种Copula函数构造岩基抗剪强度参数二维分布模型,探讨了基于Copula函数的岩基抗剪强度参数二维分布模型的优越性。结果表明：水利水电工程岩基抗剪强度参数存在明显的统计负相关性。Copula方法能够构造具有任意边缘分布和任意相关结构的岩基抗剪强度参数联合分布模型,它为构造抗剪强度参数联合分布模型提供了一种简便的工具。已知岩基抗剪强度参数的边缘分布函数和相关系数不能唯一确定岩基抗剪强度参数的联合概率分布模型,在抗剪强度参数边缘分布函数和相关系数完全相同的前提下,不同Copula函数建立的抗剪强度参数联合概率分布模型差异显著。与常用的抗剪强度参数二维正态分布模型相比,基于Copula函数的抗剪强度参数二维分布模型具有较强的灵活性,它能更好地拟合原始观测数据。水利水电工程中惯用小值平均法确定标准值,当摩擦系数取较小值时,不同Copula函数构造的黏聚力的条件累积分布函数差异显著,这将对抗剪强度参数标准值的选取以及相应的设计方案具有明显的影响。     

非饱和土三剪强度准则及验证

基于材料三剪强度准则和非饱和土力学特性,提出了非饱和土的单应力变量和双应力变量三剪强度准则,并对其做了特征分析。分析表明,通过改变准则中的主应力影响系数b,所提准则就可以对其他强度准则进行非线性近似表达。在π平面的极限线中,所提强度准则覆盖了由内边界的单剪强度准则到外边界的三剪统一强度准则之间的所有外凸区域。因此,其适用于各种复杂应力状态下的非饱和土体,也能反映非饱和土单轴抗拉抗压强度不等的特征。另外,还用其他文献的真三轴试验数据对所提准则做了试验验证,其中,非饱和黏土砂的真三轴试验值与中主应力影响系数b=0.6时的三剪强度准则预测值吻合较好,双应力变量下准则的预测值比单应力变量下的预测值更符合试验值;非饱和黄土真三轴试验值与中主应力影响系数b=0.2时的三剪强度准则预测值吻合较好,两种应力变量下的三剪强度准则预测值差别较小。     

基于统一强度准则改进式的压力隧洞弹塑性应力分析

基于具有抛物线型强度包络线的统一强度准则,即对双剪双参数统一强度准则进行相应的非线性化处理,考虑了中间主应力影响,分析在渗流作用下压力隧洞弹塑性力学行为。通过分析中间主应力对压力隧洞的塑性区半径影响可知,随着中间主应力的参数的增大,塑性区半径也相应减小。通过考虑和不考虑渗流场影响的实例对比分析表明,考虑渗流场时所得塑性区半径要比不考虑时大,而且随着孔隙水压力的增大,渗流场的影响越显著。隧洞径向应力和切向应力也与中间主应力参数b和渗流场密切相关。通过与直线型统一强度准则对比分析可知,采用两种不同准则时所得结果相差较大。隧洞设计时应根据岩石强度特性合理地选择数b,为强度包络线近似于二次抛物线的围岩隧洞设计提供理论依据     

岩土材料的各向异性强度准则

岩土材料的强度往往表现出很强的各向异性,而已有的各向同性强度准则不能够描述这一特性。提出一个岩土材料的各向异性强度准则。为了描述材料的各向异性,引入了一个由应力张量和组构张量的联合不变量表达的各向异性参数。该参数可以描述加载方向和材料组构方向的夹角。强度准则是基于材料在子午面和偏平面上的破坏特性而建立的,这为描述广义的材料强度各向异性提供了方便。与原各向同性强度准则相比,各向异性强度准则只引入了两个新的模型参数,而且所有的模型参数都可以通过常规的室内试验结果确定。该准则的预测结果与砂土、黏土、天然黏土和岩石的试验结果比较表明,它能够很好地描述岩土材料强度的各向异性     

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。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。     

粉质黏土的真三轴试验及强度特性研究

为研究复杂应力路径下粉质黏土强度特性,利用TSW-40型土壤真三轴仪,开展了不同试验条件下粉质黏土的真三轴试验。研究了真三维应力状态下粉质黏土应力-应变曲线变化规律,探讨了含水率、固结围压和中主应力比等试验条件对粉质黏土强度的影响规律,对比分析了真三维应力状态下 平面上粉质黏土试验值与Mohr-Coulomb（简称M-C）强度准则和双剪强度准则的差异。研究结果表明：真三维应力状态下粉质黏土的广义剪应力-剪应变曲线主要表现为应变硬化型。粉质黏土强度随中主应力比和固结围压的增大而增大,随着含水率的增大而减小。 平面上粉质黏土的强度包络线随静水压力 的增大向外逐渐扩展,随含水率 的增大向内逐渐收缩。 平面上M-C强度极限线和双剪强度屈服极限线与试验值对比分析表明,M-C强度准则描述土体强度时结果偏小,采用双剪强度准则时结果偏大。