基于Hoek-Brown的岩石横观各向同性屈服准则研究

为了描述岩石强度的各向异性特征,通过引入材料的微结构张量,考虑单轴抗压强度σ_cβ随层理倾角β而变化,提出了基于微结构张量的修正Hoek-Brown屈服准则。开展不同层理倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的页岩试样不同围压(0、5、10、15和20 MPa)下的三轴压缩试验,结果显示,页岩峰值强度与层理倾角β呈"U"形曲线关系,在围压较低时呈"肩"形曲线关系,弹性模量E_t和泊松比ν对围压不敏感,其平均值随层理倾角β的变化关系分别呈倒"U"形、"肩"形。页岩的微观和宏观破坏图像表明,其破坏模式受围压和层理倾角双重控制。试验值与模型预测值的对比表明,修正的Hoek-Brown屈服准则可较好地对页岩强度的各向异性进行模拟。同时,采用Koteshwar千枚岩、Koteshwar板岩、绿泥石片岩等层状结构岩石的单轴和三轴压缩试验数据,进一步验证了提出的修正Hoek-Brown屈服准则对多数具有层理结构的横观各向同性岩石峰值强度模拟具有普遍适用性,并对屈服准则在试验数据较多和较少情况下的峰值强度模拟效果进行了评价。     

修正Hoek-Brown强度准则在钻孔稳定性分析中的应用

钻孔稳定性分析是深部钻探工程的重要科学问题之一,选择合理的强度准则有助于提高钻孔稳定性预测的准确性,可有效地减少钻孔崩落事件的发生。由于广泛使用的Hoek-Brown准则忽略了中间主应力的影响,应用时无法充分发挥岩石强度潜能。引入一种有效克服诸多经典强度准则的奇异性与非外凸性缺陷的修正Hoek-Brown强度准则,将其应用于水平、垂直和倾斜钻孔稳定性分析中的最小泥浆压力计算,同时与Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Hoek-Brown、3D Hoek-Brown、Mogi-Coulomb和修正Lade准则等经典强度准则预测值进行对比。研究结果表明,修正Hoek-Brown准则与修正Lade、Mogi-Coulomb和3DHoek-Brown准则的预测结果相近,且修正Hoek-Brown预测值与实际工程所用泥浆的相对误差分别为2.1%和0.76%,证明修正Hoek-Brown准则应用于钻孔稳定性分析的适用性与准确性;最小泥浆压力随钻孔深度增加呈线性递增,且受钻孔方位角和倾斜角的影响;Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则所预测的最小泥浆压力值最大,增加了实际工程泥浆的用量,Drucker-Prager准则所预测的最小泥浆压力最小,但给出的预测结果偏于危险,易发生钻孔失稳;基于修正Hoek-Brown准则可得到理论上最佳的钻孔位置(即所需最小泥浆压力值达到最小),为钻井工程师进行钻孔位置优化提供有益参考。     

考虑中间主应力Hoek-Brown强度准则及其适用性

为考虑中间主应力对岩石极限破坏强度作用,在广义Hoek-Brown强度准则幂率项中添加定量表征中间主应力项,构建新的三维Hoek-Brown强度准则。该准则在主应力空间是通过3个角点外接Hoek-Brown准则包络面的曲六面体,在 空间包络线是幂律型曲线。通过与Hoek-Brown准则、Drucker-Prager准则和Mogi准则分别对4组真三轴压缩强度试验数据的拟合对比分析,探讨其反映中间主应力效应的适用性。结果表明,修正的Hoek-Brown强度准则拟合试验数据效果总体最好,Mogi准则次之,Hoek-Brown准则和Drucker-Prager准则较差。从而修正的Hoek-Brown强度准则最适用于粗面岩、大理岩和花岗岩等硬脆性岩石的真三轴强度预测及中间主应力影响规律描述。     

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。     

基于DILSSVM的岩石强度预测研究

为解决经典强度准则预测岩石破坏强度不准确的问题,本文使用交叉最小二乘支持向量机(DILSSVM)在单轴及三轴加载情况下对岩石强度进行预测。将现场和实验室试验得到的各种岩石相关数据划分成训练和验证子集。将抗压强度c和最小主应力3作为输入值,最大主应力值1f作为输出值训练DILSSVM。使用训练后的DILSSVM预测岩石破坏时的1f,同时使用训练子集反演Hoek-Brown经验公式的常数m。使用测试数据对训练后DILSSVM预测的目标岩石强度的准确性进行验证,同时将测试数据带入2类Hoek-Brown(m值的取值不同)经验公式预测目标岩石强度1f。比较DILSSVM和Hoek-Brown预测结果, 表明:DILSSVM预测结果的均方差减小了45% ～55%,决定系数增加了0.055～0.085,更接近于1。说明DILSSVM对岩石强度的预测范围较宽,且适合岩石种类多变的复杂非线性情况。     

Hoek-Brown准则参数在边坡工程中的敏感性分析

Hoek-Brown屈服准则是估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及稳定性分析领域应用最广泛的准则之一。选取常见的3类岩石材料作为分析代表,通过有限差分法及敏感性分析方法研究了Hoek-Brown准则中各参数对岩质边坡安全系数的灵敏度。研究表明,地质强度指标GSI对岩质边坡稳定性影响最为显著,而反映岩石的软硬程度材料常数mi、岩体扰动系数D和岩石单轴抗压强度?ci影响显著性要小于地质强度指标。最后,对GSI对岩体的摩擦角? 和凝聚力c的影响规律进行了分析。结果表明,对于同一GSI,mi从小到大变化时,? 的变化幅度在减小,GSI值在55附近时,不同mi所对应的凝聚力趋于同一个值。     

临界状态围压在岩石强度准则改进中的应用

岩石强度准则一般是通过低围压岩石力学试验提出,这些准则在高围压下得到的岩石强度比实测强度偏大。为解决这一问题,提出岩石临界状态围压的概念,并推导得到当围压达到临界状态围压时,偏应力为常数,临界断裂角为45°,以广泛使用的Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则为例,将其应用到准则的改进中。通过完整岩石三轴试验数据对改进准则的准确性和适用性进行验证,分析结果表明：应用岩石临界状态围压改进的强度准则参数对围压变化的敏感度较低,其不仅保持了原准则在低围压时评估岩石强度的一致性、准确性,而且在高围压时其评估的强度与试验强度较一致,解决了高应力条件下原强度准则高估岩石强度的问题。     

修正Hoek-Brown准则的等效Mohr-Coulomb强度参数确定方法研究

合理确定岩石材料强度参数是工程设计的关键问题之一。为有效描述岩石的强度特性,众多学者提出了大量三维强度准则,其中基于两参数偏函数的修正Hoek-Brown(H-B)准则取得了良好效果,能够有效地反映岩石的静水压力效应、Lode角效应及中间主应力效应等强度特性。确定修正H-B准则的等效Mohr-Coulomb(M-C)参数有利于提高其在工程应用中的便利性,因此提出一种基于I_1-■平面计算三维强度准则瞬时等效M-C参数的方法,应用于修正H-B准则,并对计算方法的合理性及瞬时等效M-C参数与岩石强度特性的关系进行讨论。结果表明:瞬时等效M-C参数可有效表征非线性静水压力效应,且合理反映Lode角效应和中间主应力效应的区间性特点;瞬时等效M-C参数可有效表征静水压力对Lode角效应的影响和最小主应力对中间主应力效应的影响,静水压力增大时,Lode角效应更为明显,且当最小主应力增大时,瞬时等效内聚力反映出更为显著的中间主应力效应;该方法能够合理地计算瞬时等效M-C参数,修正H-B准则具有准确预测岩石强度的能力。上述成果对修正H-B准则在实际工程中的应用具有较强的指导意义。     

Hoek-Brown准则在岩质边坡稳定分析中的优越性

介绍了最新的用于估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则Hoek-Brown屈服准则。结合岩质边坡工程并基于强度折减法计算边坡安全系数,与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟对比,得出Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则,考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,能很好地反映岩体的非线性破坏特征及机理,符合节理岩体的变形和破坏特点。      

基于修正应力法的横观各向同性摩尔-库仑准则及被动土压力公式

采用修正应力法考虑各向异性对土的抗剪强度的影响,该方法引入组构张量调整不同方向应力分量的相对大小,使得各向异性土在修正应力空间中等效成各向同性土。用修正应力张量代替真实应力张量,就能将摩尔-库仑强度准则发展至横观各向同性,公式的形式不发生改变,强度参数仍为与加载方向无关的常量。通过对比根据3种不同的修正应力公式得到的内摩擦角与加载方向的关系曲线,分析了组构值对内摩擦角变化规律的影响,在偏平面上绘出了连续规则的强度包线,并预测了不同各向异性岩土类材料的三轴压缩和真三轴试验结果。最后,根据横观各向同性摩尔-库仑准则计算水平沉积地层中挡土墙上的被动土压力,得到了简洁的显式表达式,验证了修正应力法的实用性。     

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。     

基于Hoek-Brown准则的岩体注浆加固机制研究

采用离散裂隙网络(DFN)建立裂隙岩体模型,通过计算推导获得裂隙频率与Hoek-Brown经验参数的对应关系。借助离散元颗粒流程序PFC,计算分析了注浆加固前后岩体强度的各向异性程度以及沿不同方向和不同注浆黏聚力条件下的应力–应变曲线。在对Hoek-Brown经验参数物理意义分析的基础上,拟合注浆加固后的岩体强度曲线,并分析了注浆黏聚作用的影响规律。研究表明,注浆加固后抗压强度大幅提高,各向异性程度明显降低,其力学特性由延性逐渐转变为脆性。围压较低时,按照Hoek-Brown准则与文中模型计算的抗压强度存在一定差别,随着围压的增加,其误差逐渐减小。依据JCond与Hoek-Brown参数间的定量关系,获得了注浆加固对岩体强度的作用规律,其中参数s受注浆加固影响更加明显。由于m_b主要反映了岩体本身的强度性质,s反映岩体的破碎程度,注浆作用的体现与参数的物理意义相互吻合,证明了文中计算模型的合理性。     

边坡岩体力学参数对Hoek-Brown准则参数敏感性的综合性分析

针对广义Hoek-Brown准则参数敏感性分析单因素法的局限性,提出利用正交试验法来研究准则参数对岩体力学参数的影响,该方法可以对各因素的影响进行综合性分析,避免单因素法的片面性。以龙桥特大桥5#拱座所在边坡为工程背景进行了基于正交试验的准则参数敏感性分析。结果表明:地质强度指标GSI对岩体的变形参数Em的影响最显著; 岩石抗压强度ci和岩体扰动系数D对岩体的强度参数C、的影响最显著; 总体来说,岩体力学参数对地质强度指标GSI与岩石抗压强度ci最敏感,对岩体扰动系数D次之,最后为岩石的Hoek-Brown参数mi; 并且准则参数之间无交互作用,相对独立。     

Hoek-Brown岩石破坏经验判据确定岩石地基承载力的修正

岩石地基承载力的精确确定,对工程的安全性和经济性非常重要。简要介绍了Hoek-Brown岩石经验破坏判据及其剪切强度形式,并通过确定岩基潜在破坏面上的正应力,计算出岩体自重和岩体瞬时内摩擦角。对基于Hoek-Brown岩石经验破坏判据的岩基承载力的极限解法进行修正,得出剪切破坏模式下含有岩体自重和瞬时内摩擦角的Hoek-Brown岩基承载力修正公式。最后,通过算例证明修正公式的完善性和实用性。     

砂岩试验强度与强度准则预测结果对比分析

对山西大同煤峪口矿巷道砂岩进行了巴西劈裂、单轴和常规三轴试验,分析了其变形和强度特性,以整体平方根误差最小为依据拟合确定了5种强度准则参数,比较各准则的整体拟合效果以及抗拉强度和抗压强度预测值与试验值之间的差异。结果表明:砂岩单轴和低围压下的脆性特征显著,随着围压增大屈服段明显增加,逐渐由脆性向延性转变;对试验数据的整体拟合效果,Mohr-Coulomb准则最不理想,指数强度准则最好,Hoek-Brown准则和Bieniawski准则相接近;对抗拉强度的预测,Mohr-Coulomb准则明显高估了砂岩的抗拉强度,不适合预测抗拉强度,指数强度准则最为理想,Bieniawski准则不能反映岩石抗拉特性;单轴和不同围压下砂岩强度,直线型Mohr-Coulomb准则偏离了大多数试验数据点,特别是高围压下偏离显著结果失真,Hoek-Brown准则和Bieniawski准则预测结果几乎一致,Sheorey准则高围压下预测结果稍有偏高,指数强度准则接近大多数试验数据,预测效果最佳。      

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     

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。      

矿物-溶液间REE的分配系数及其影响因素和地质地球化学意义

本文基于前人测得的橄榄石、石榴子石、单斜辉石、斜方辉石、斜长石和H_2O之间的REE分配系数,讨论了矿物成分、结构和物理化学条件(t、p)对REE分配系数(K_(REE))的影响,提出了预测矿物—溶液间K_(REE)的三条准则,即矿物成分准则、矿物结构准则和溶液成分准则。根据这些准则,本文预测了各种硅酸盐矿物和不同成分溶液(H_2O、Cl~-、F~-、CO_2、CO_3~(2-)、HCO_3~-)之间的K_(REE),并分析了矿物、岩石蚀变过程中REE的活动性和REE的变质热液成矿作用。     

岩体强度破坏判据研究的进展(下)

四、Hoek——Brown经验强度判据1980年,Hoek和Brown教授,根据他们自己多年的研究以及他们对岩石习性的理论和试验两方面经验,提出了适用于岩石和岩体的经验强度判据.(一)Hoek-Brown经验强度判据的主应力表达式以主应力形式表示的Hoek-Brown经验强度表达式为:σ_1=σ_3+√mσcσ_3+Sσc~2σ式中:σ_1、σ_3分别是破坏时的最大、最小主应力.σ_c是试件中完整岩块的单轴抗压强度.m和s取决于岩石性质以及受荷前岩体中节理裂隙的发育程度.     

基于SMP的岩土各向异性强度准则

基于SMP准则,假定材料的摩擦角随沉积面和SMP的夹角而变化,通过主应力空间和物理空间的变换,将SMP的法向量变换到物理空间,以沉积面和SMP的最小夹角α为参数提出了一个各向异性强度峰值Mα。从而得到一个各向异性强度准则,适用于横观各向同性岩土材料,通过试验条件下的数据验证表明,该各向异性强度准则能够较好地描述各向异性土的强度变化规律。