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。      

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。      

不同应变率下砂岩动态强度准则的试验研究

分别利用RMT－150C和多功能分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统对砂岩进行了不同应变率下的单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验。结果表明,在围压为0或围压一定的情况下,应变率低于102 s-1时,抗压强度的增加与应变率的量级呈正比;在应变率高于102 s-1时,岩石的抗压强度增加趋势与应变率的1/3次方呈正比。拉伸强度也存在类似规律。针对101～102 s-1应变率范围内缺少岩石动态强度准则这一现状,根据上述试验规律,结合Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和Griffith准则的原理,给出了不同应变率范围内动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则的具体表达形式。研究结果表明,在低应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则均适用,但Griffith准则判别结果误差很大。在高应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则比较适用,Griffith准则仅适用于评估高应变率单轴抗压强度和抗拉强度之间的关系。     

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。     

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。     

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。     

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。      

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。     

基于脆剪分析的岩体非线性强度特性在统一强度理论中的实现

针对统一强度理论（UST）拟合非线性强度的局限和岩土材料强度特点,提出拟合岩土非线性强度特征的脆性剪切分析方法,建立了过渡式双线性强度分解公式。以脆断、剪切双重破坏机制,解释Hoek-Brown准则的非线性特征机制,并推导出体现岩石、岩体类材料非线性强度特征的脆剪强度公式。Mine-by隧道和北山花岗岩强度数据分析显示,在岩体折减强度、试验数据直接拟合实例分析中,脆剪强度与Hoek-Brown强度相关性系数均在0.98以上,在该基础上建立岩体非线性强度脆剪分析的双线性过渡式,并提出对应的统一强度理论形式,实现统一强度理论在拟合岩土非线性强度准则中的扩展。     

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。     

粗粒料强度准则与排土场稳定性研究

排土场稳定性主要取决于排土场的坡角及排弃废石的内部强度。通过低压到高压的三轴压缩试验研究了千枚岩粗颗粒散体材料强度的特性及压力对其强度的影响。试验表明：粗颗粒材料的破碎率随着压力的增大而增加,而增加速率则随着压力的增大而减小,并给出了一个用于描述压力及破碎率的关系式。提出了考虑破碎对强度影响的强度准则,该准则能描述粗颗粒材料的强度随压力的变化情况。采用该强度准则分析排土场的稳定性,其结果更加接近实际情况。而采用摩尔-库仑强度准则计算得到的排土场稳定性安全系数偏大,存在安全隐患。建议采用本文提出的强度准则分析排土场稳定性,特别是对于超高排土场的稳定性分析,更加适用该强度准则。     

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。     

初始含水率对冻结粉质黏土变形和强度的影响规律研究

冻土的变形和强度受温度、水分及压力的影响甚为显著。通过对-6 ℃的冻结粉质黏土在初始含水率为12.5%～20%范围内进行一系列的三轴试验,分析初始含水状态对冻土变形和强度的影响规律。研究发现,当初始含水率较低时,随着围压的增大,冻结粉质黏土相继出现应变软化和应变硬化特征;当初始含水率大于16%时,其应力-应变关系主要呈现出应变软化特征;随着初始含水率的增大,初始切线模量随围压从线性缓慢增大逐渐过渡为抛物线形的分布。同时,根据包络线定理,建立非线性摩尔-库仑强度准则,用以描述初始含水率为12.5%、14%和16%的冻结粉质黏土强度随围压变化的非线性;当初始含水率为18%和20%时,其强度可用线性摩尔-库仑强度准则描述。     

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。     

广义Drucker-Prager强度准则

基于摩擦性材料的试验研究,在已有研究成果的基础上,提出了具有Drucker-Prager准则表达形式的广义非线性强度理论,即广义Drucker-Prager强度理论。该强度理论在偏平面上的强度函数是介于Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则外包线的光滑外凸曲线,在子午面上的强度函数为线性函数。该强度理论用一个表达式来统一描述材料的强度特性,包含或逼近了现有主要的非线性单一强度理论,并且在应力空间中偏应力和静水压力分离,容易与具体的应力应变模型相结合。     

不同破坏准则下水合物沉积物的统计损伤模型

利用连续介质损伤力学理论与概率统计方法,假设水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,在现有室内三轴和直剪试验数据的基础上,考虑水合物饱和度的影响,分别建立了基于修正Mohr-Coulomb强度准则和修正Lade-Duncan强度准则的水合物沉积物统计损伤本构模型,并将理论模型预测结果与室内试验进行对比,验证了模型的有效性。结果显示：基于Lade-Duncan强度准则的损伤本构模型能够较准确地反映水合物沉积物峰前的应力?应变规律,而基于修正Mohr-Coulomb强度准则的损伤本构模型则对于模拟峰后的应变软化特征有较好的适用性。对于在低有效围压、不同水合物饱和度条件下的水合物沉积物,基于修正Mohr-Coulomb强度准则的损伤本构模型的模拟精确性要优于基于修正Lade-Duncan准则的损伤模型;而在同一饱和度、不同有效围压条件下,基于修正Lade-Duncan强度准则的损伤本构模型的模拟结果则要优于基于修正Mohr-Coulomb强度准则的损伤本构模型。     

基于统计岩体力学的岩体强度特征分析

结构面的存在改变了岩体力学性质,影响了岩体强度特征。基于统计岩体力学强度判据,结合摩尔-库仑准则,得到了含单组结构面岩体破坏的4种不同方式和相应的结构面倾角范围,推导了岩体强度由结构面控制转化为应力控制的临界围压表达式。在此基础上,根据岩石和结构面参数之间的关系,将含单组结构面岩体分为4类,并探讨了可能破坏方式和发生破坏的条件。最后,举例分析了含单组结构面闪长岩的强度特征,结果表明,该岩体属于第I类岩体,在垂向受压时先沿结构面后沿岩块破坏,临界围压为9.12 MPa;从全空间分析,该岩体强度各向异性显著,围压增大可使岩体在一些方向上受力时强度由结构控制转化为应力控制。     

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。     

基于量化的GSI系统和Hoek-Brown准则的岩体力学参数的估计

Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则相比,综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,可更好地反映岩体的非线性破坏特征,更符合工程实际,由该准则所估算的岩体力学参数可为最终确定岩体力学参数提供重要依据。基于引入的岩体体积节理数Jv和结构面条件因子JC量化的GSI(地质强度指标)围岩分级系统和Hoek-Brown强度准则来估计岩体力学参数,并结合具体的工程估算岩体的力学参数验证应用效果,其成果对工程设计和施工有重要指导意义。