应变软化岩体分析原理及其应用

应变软化是指应力-应变曲线中轴向应力随应变的增加而减小的现象,许多种类的岩土介质在工程扰动的作用下呈现应变软化的行为。在分析应变软化问题时,其应力-应变关系式中的切线刚度矩阵是非正定的,由此导致计算求解的困难。将岩体应变软化过程简化为一系列脆塑性过程,于是应变软化问题的求解归结为一系列脆塑性过程的分析。基于经典弹塑性力学理论,提出了应变软化过程模拟方法及其相应的有限元求解过程,编制了计算程序,研究了应变软化本构模型中不同强度弱化速率对圆形洞室围岩塑形区分布的影响,进一步分析了应变软化模型对应的隧道径向变形沿洞轴方向的分布特征,并与已有监测数据得到的分布规律进行了对比。初步的研究结果表明,应变软化模型得到的计算结果是比较合理的     

模拟应变软化岩石三轴试验过程曲线

在经典弹塑性理论框架下,认为岩石材料在应变软化过程中遵守摩尔-库仑强度准则,塑性变形服从非关联流动法则。对两组岩石在三轴试验中呈现的应变软化行为进行了分析,获取了峰值前后强度参数的大小。采用应变软化模拟方法,将应力-应变曲线峰后应变软化阶段简化为一系列应力跌落和塑性流动的脆塑性过程,在给定的强度参数演化规律基础上,得到了岩石的应力-应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体应变-轴向应变曲线和塑性体应变-轴向塑性应变曲线。模拟得到的应力-应变曲线与试验结果吻合较好,其他曲线与相关试验测试规律基本一致。研究成果对确定岩石强度参数与认识岩石峰后强度演化规律有一定的指导意义。     

软化岩土介质的应变局部化研究进展--意义·现状·应变梯度

如何准确描述岩土的应变软化已是岩土力学研究的难题,而岩土介质的软化性状与应变局部化的产生和发展直接相关。阐述了研究岩土材料的软化性状的意义以及岩土材料的软化与应变局部化的关系。从实验研究、理论建模和数值模拟三方面综述应变局部化在岩土力学中的研究现状;说明应变局部化发生时考虑应变梯度的必要性;就应变局部化研究在岩土力学中的发展趋势提出初步看法。     

岩土类软化材料的柱形孔扩张统一解问题

用应力一次跌落应变软化模型来模拟岩土软化材料特性，采用双剪统一强度理论的屈眼函数形式，推导了柱形孔扩张问题应力场及位移场的统一计算公式，分析了不同模型、不同软化程度对柱形孔扩张时应力、位移及塑性区开展规律的影响。     

硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化模型研究

根据大量试验资料,研究硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化规律,并建立相应演化模型。分析26例硬岩临界塑性应变与围压之间的关系,提出一种具有广泛适用性的3参数幂函数型围压函数,并将其引入塑性内变量中。基于Mohr-Coulomb屈服准则,分析塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角随塑性内变量的演化规律,并建立高斯型强度参数演化模型和考虑围压及塑性内变量的剪胀角演化模型。考虑到工程应用中往往将硬岩峰前视为线弹性变形,进一步研究提出峰后强度参数及剪胀角演化模型。对比多组硬岩试验结果与模拟结果,发现应用所建塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角演化模型,可正确模拟不同围压下硬岩塑性强化-软化变形过程中轴向变形及环向变形规律;应用所建峰后强度参数及剪胀角演化模型,也可合理模拟不同围压下硬岩峰后塑性软化变形过程中轴向变形及环向变形规律。上述力学模型对不同种类硬岩均适用,具有良好的应用前景。     

一种求解应变软化岩体中球腔问题的数值方法

均匀地应力场中球形洞室开挖问题可以简化为空间轴对称问题,为分析和评价球形洞室开挖的稳定性,采用有限差分方法对平衡方程与变形协调方程进行离散,将洞室围岩潜在塑性区划分为一系列的球壳,并考虑岩体的应变软化行为,可以得到满足线性Mohr-Coulomb（H-C）准则和非线性Hoek-Brown（H-B）屈服准则的围岩体塑性区范围及相应的应力与变形分布。计算结果表明,随着离散步的增加,数值解逐渐收敛,文中解与已有文献的结果完全吻合,且计算效率更高。对一组强度参数遵循CWFS（黏聚力弱化与摩擦角强化）规律的围岩体内塑性区范围、变形与应力的分布进行了分析,并与常规的应变软化模型的计算结果进行了对比,CWFS模型的结果更合理一些。     

考虑岩体峰后非线性软化的衬砌压力隧洞应力解

采用弹性－塑性非线性软化―裂缝区三阶段围岩模型,根据全量理论将真实岩体单轴应变非线性软化特征推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,在此基础上对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。推导出了围岩裂缝区、塑性软化区、弹性区和衬砌内任一点的应力与位移的解析计算式,得到了衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。该解析式具有广泛的适用性,基于理想塑性介质的解答如Kastner解和完全脆性介质的解答均为特例。     

岩土类材料率相关性及硬化-软化特性模型研究

岩土类材料具有显著的率相关性,其应力-应变关系全过程一般表现为硬化-软化特征,研究如何描述这两类特征具有重要的意义。基于岩土类材料的物理变形机制分析,考虑到其结构性特征,采用弹黏塑性本构模型,引入反映材料结构变化的可变结构黏滞系数及其演化方程,并将其嵌入到弹黏塑性本构模型中去,建立能够反映材料结构变化的弹黏塑性本构模型。利用玄武岩常规三轴常应变率试验结果对所建立的模型进行试验验证,结果表明：所建立的弹黏塑本构模型能够完整、合理地描述岩土类材料应力-应变关系全过程以及材料本构关系的率相关性,同时还能够反映材料的峰值强度、残余强度特征。     

岩土材料不同应力路径下脆性变化的二元介质模拟

试验研究表明,岩土材料在加卸荷时表现出不同的变形破坏特性,卸荷时脆性增加。建议了一个可以描述材料脆性变化的脆性指数 ,并验证了B指标能较好地描述岩土材料在加卸荷时的脆性变化。应用二元介质模型,对岩样在卸载周围应力过程中的应力-应变关系进行了模拟,表明这一模型不但可以模拟岩样在低围压下的应变软化到高围压下的应变硬化现象,而且可以模拟岩样在卸载周围应力过程中的变形破坏过程,特别是对于表现为应变软化的岩样,可以反映出应力峰值前后卸围压时的变形破坏过程的差别。     

基于数值模拟的连拱隧道所受应力和塑性区研究

连拱隧道开挖完成后是否达到工程要求,对此本文结合一实际连拱隧道工程,利用数值模拟对开挖后衬砌的应力、塑性区和岩土体的塑性区进行了研究,研究结果表明：(1)衬砌进口处出现部分应力集中,但是数值控制在工程允许的范围内,不会对工程造成安全隐患;(2)衬砌所受的弯矩分布较为均匀,可知衬砌所受的弯矩分布合理;(3)衬砌没有发生塑性变形,地面以下10 m岩土体范围内出现部分塑性区,此部分塑性区是由于隧道开挖扰动造成的。以上的研究可供类似的连拱隧道工程提供参考。     

考虑剪胀效应的深埋圆形隧道围岩应变软化弹塑性解

隧道围岩非线性体积膨胀影响施工安全,如何正确评价隧道围岩塑性区域内扩容机制非常重要。多数研究从理论上推导深埋圆形隧洞应变软化围岩应力-应变场时仅采用恒定或线性变化剪胀模型,针对此不足,提出了一种基于有限差分法的分析方法,能够合理地考虑围岩非线性剪胀效应及其应变软化特性。利用已有的研究成果,验证了该方法的合理性,并进一步探讨了不同质量石灰岩与支护压力下剪胀系数在围岩塑性区域内的影响因素,比较了恒定与非线性变化剪胀模型下围岩变形的不同。结果表明:对于地质强度指标(GSI)较小、质量较差的岩体,塑性区域内主要由围压控制剪胀效应程度;恒定与非线性变化剪胀模型下围岩洞壁变形差别显著。     

Strain‐softening analysis of a spherical cavity

This paper studies the excavation of a spherical cavity subjected to hydrostatic initial stresses in the infinite homogeneous and isotropic rock mass with strain‐softening Mohr–Coulomb (M‐C) and Hoek–Brown (H‐B) behaviors. Numerical solutions of the spherical cavity are obtained and the application to determining stress–strain curve of strain‐softening M‐C and H‐B rock mass is studied. A closed‐form solution for the elastic–brittle–plastic medium is introduced first, and then a numerical procedure that simplifies the strain‐softening process into a series of brittle–plastic ones is presented. The approach is validated against the facts that the strain‐softening process evolves into a brittle–plastic one when the softening slope is very steep, whereas it evolves into an elasto‐plastic one when the softening slope approaches zero. Numerical solutions for the prediction of displacements and stresses around the spherical cavity in the strain‐softening M‐C and H‐B rock mass are presented. On the basis of the analysis of the spherical cavity in strain‐softening rock mass, the stress–strain relationship at an infinitesimal cube around the cavity is obtained and discussed with different evolution laws for the strength parameters considered. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于开挖卸荷劣化的边坡岩体宏观力学参数USMR分析评价方法及验证

为研究锦屏某边坡岩体在开挖卸荷条件下的岩体宏观力学参数,对该区砂岩进行室内卸荷试验研究,结果表明：相对于加载试验,卸荷过程中岩样的强度及变形参数发生了劣化,低、高围压下岩石变形及破裂形式也有所不同。为此,在对SMR及CSMR修正的基础上,提出了考虑开挖方式、边坡形态及卸荷损伤的边坡卸荷岩体的评价体系USMR法。基于USMR法对研究区边坡开挖岩体宏观参数（变形模量Em、岩体抗压强度 、岩体抗拉强度 、岩体抗剪强度参数cm和 ）进行了动态分析,并分别考虑了不同围压 及卸荷损伤De条件下岩体参数的劣化规律。分析表明：开挖卸荷过程中岩体宏观参数发生了不同程度的劣化,拉应力区、低应力区和高应力区岩体参数的劣化规律有所不同,拉应力区及低应力区岩体力学参数对开挖卸荷更加敏感。研究结果对边坡开挖卸荷岩体的稳定性分析与评价具有一定指导意义。     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。