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。     

基于残余强度修正的岩石损伤软化统计本构模型研究

岩石随着围压的增大,残余强度的增加幅度比峰值强度大,残余强度逐渐成为影响岩石全应力-应变曲线峰后段的主要因素,因此,建立岩石损伤软化统计本构模型时,对残余强度进行修正是非常必要的。基于岩石应变强度理论以及岩石微元强度服从Weibull随机分布的假设,考虑岩石峰后残余强度对损伤变量进行修正,在微元破坏符合Hoek-Brown屈服准则条件下,建立了能够反映岩石峰后软化特征的三维损伤统计本构模型;依据岩石试验全应力-应变曲线的几何特征,推导出本构模型参数的数学表达式,并基于花岗岩室内试验数据对模型参数进行探讨,研究了Weibull分布参数与本构模型的关系,探讨了损伤修正系数的取值和岩石累积损伤的扩展过程;将建立的本构模型理论曲线与4种岩石（斑状二长花岗岩、细晶大理岩、砂岩和粉砂质泥岩）不同围压下的常规三轴压缩试验曲线进行对比分析,结果表明,该模型能很好地描述岩石破裂过程的全应力-应变关系和表征岩石残余强度特征。这对于岩石损伤软化问题以及岩石加固处理措施的研究均具有重要的意义。     

考虑围压对岩石强度尺寸效应影响的统计模型

根据岩石材料内部所含缺陷分布具有随机性的特点,基于Weibull分布,采用Mohr-Coulomb准则来表示岩石细观单元的计算强度,建立了考虑围压影响的岩石强度尺寸效应统计模型。利用该模型探讨了均质度和围压对强度尺寸效应的影响,结果表明:不均匀性是强度离散性和存在尺寸效应的根本原因,材料越均匀,强度值的离散性越低,而尺寸效应也越不明显;围压会影响材料强度对试样尺寸变化的敏感性;围压越大,材料强度增大,与尺寸效应有关的材料强度所占比例减小,材料强度尺寸效应变得不明显。     

基于统计强度理论的破裂岩体本构模型研究

借助损伤力学思想,基于统计强度理论,提出一种适用于深部工程破裂区破裂岩体的本构模型建立方法,并通过室内试验和数值试验进行了验证。将破裂岩体划分为无数微元立方体,微元立方体的强度与岩石破裂程度有关,且各立方体强度随机分布,故可用强度反映破裂岩体的破裂程度,据此提出一种破裂岩体本构模型建立方法。其中,根据岩石破裂面间的摩擦力做功等于材料破裂后释放的应变能,得到从力学角度定义的岩石破裂程度变量;另外,假定微元立方体强度分布服从Weibull分布,应力水平满足Hoek-Brown准则。利用泥质砂岩破裂岩体典型三轴试验结果,建立泥质砂岩破裂岩体本构模型,并进行了验证,结果表明模型计算曲线与试验曲线吻合度较好。利用离散元软件PFC进行了补充数值试验验证研究,证明了泥质砂岩破裂岩体理论模型的良好计算效果,进而证明提出的本构模型建立方法的可行性。     

花岗岩残积粘性土加、卸荷抗剪强度分析

以广州地区花岗岩残积粘性土为研究对象,通过击样法制备特定含水量试样,在不同压力下进行固结加、卸荷试验,对比分析试验数据,初步研究加、卸荷状态下花岗岩残积粘性土的抗剪强度变化,探寻先期固结压力、含水量与抗剪强度间规律。重塑残积土抗剪强度随含水量增加而减小;在先期固结压力相同的条件下,卸荷相对加荷试验条件下的土体强度显著减小,且减少值随残积土含水量的增加而逐渐减小,故在基坑开挖等卸荷工程项目中,应充分考虑卸荷对土体抗剪强度的影响,在卸荷工程中采用土体卸荷抗剪强度指标更符合工程实际。     

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。     

基于正交试验的不同胶结强度Bimrock岩体力学特性试验研究

Bimrock在不同胶结强度下的力学特性鲜有研究,而胶结强度对Bimrock力学特性和变形破坏特征有着重要影响。为探究不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响规律,通过正交试验设计法,开展Bimrock基质配比试验,对不同配比基质试样的强度力学参数进行参数敏感性分析,基于正交试验结果,制作不同胶结强度的Bimrock试样,通过单轴压缩试验,分析不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响。结果表明：Bimrock试样的单轴抗压强度和弹性模量与其胶结强度呈正相关,从弱胶结到强胶结,单轴抗压强度从11.02 MPa增加到34.21 MPa,弹性模量从2.11 GPa增加到5.57 GPa;随着胶结强度的增加,试样在变形至破坏的各阶段表面裂纹数量均减少;强胶结试样的压缩破坏模式表现为单条主裂纹的贯通破坏,破坏时间较短,脆性破坏明显;中等胶结试样发生整体与局部剪切破坏,表现为一条明显贯穿整个试样和一条仅贯穿试样下半部分的剪切破坏面;弱胶结试样发生横向拉张破坏,可见多条沿竖直方向的张拉裂纹,局部出现张剪破坏并存的破坏特征,从变形到破坏产生的裂纹较多且较为破碎,破坏时间相对较长。Bimrock岩体工程问题复杂而且较难处理,针对Bimrock力学特性与变形破坏特征的研究对工程建设以及地质灾害防治有重要意义。     

花岗岩全风化土湿化变形及强度的试验研究

基于某高速公路路基花岗岩全风化土浸水湿化的情况,采用GDS非饱和三轴仪进行了接近实际应力路径下三轴“单线法”湿化变形试验,研究了试样在不同围压、不同湿化应力水平下的湿化情况,得到了试样在湿化前后应力-应变曲线,轴变与体变间的变化规律,经成果分析表明,试样在湿化过程中均产生了轴变与体变,并且经湿化变形后产生了各向异性。当初始有效围压相同时,各湿化应力水平下的抗剪强度指标c、? 值近似相等,与干样相比,湿样的黏聚力c值减少明显,内摩擦角? 值变化不大。在初始有效围压较低情况下,试样约在轴向应变达10%左右时体积变形由剪缩变为剪胀,而在初始有效围压较高的情况下则没发生类似的现象。     

全风化花岗岩抗剪强度影响因素分析

研究了香港全风化花岗岩三轴抗剪强度指标凝聚力c、内摩擦角 同微结构及成分的关系,指出微结构的特点决定了强度特点, 值主要由其石英与长石总含量和颗粒中大于0.5 mm的含量所控制,而c值的影响因素复杂性决定了其试验结果的离散性。通过研究c, 值与应变之间的关系,说明摩擦力在强度中占的比重大,并能够进一步解释c值结果的离散性大的原因。     

云南祥临公路滑坡滑带土抗剪强度指标的统计分析

云南祥临公路边坡地质条件复杂,岩土性能差,易滑地层分布广,中大型滑坡滑带土大多为含碎石粉质黏土。采用随机统计法和随机-模糊法对此类滑带土的试验数据进行统计分析,得到祥临公路沿线该类滑带土的抗剪强度指标的概率密度函数,给出其置信区间,并对某处典型滑坡采用4种不同统计方法进行具体分析,并将分析结果加以对比,从而对类似地质条件的滑坡治理起到借鉴作用。     

裂隙形式对岩体强度特征及破坏模式影响的试验研究

利用RMT－150C电液伺服机对含不同预制裂隙形式（单、双、T形交叉及X形交叉裂隙）的类岩石试样进行了单轴压缩试验,系统地研究了裂隙形式对试样强度特征及失稳模式的影响。试验发现,（1）不同裂隙形式下裂隙的起裂破坏模式主要表现为初始裂隙起裂破坏,裂隙形式与破坏模式关系不突出;（2）单轴抗压强度受裂隙形式影响明显,随着裂隙形式由单裂隙到X形交叉裂隙变化,裂隙试样抗压强度呈现增高趋势,同时试样起裂和失稳时的声发射总能量也逐渐增大。进一步对裂隙形式影响强度特征的机制进行了初步分析,研究成果可以反映不同裂隙形式组合对工程岩体稳定性的影响规律。     

花岗岩风化料弃土快速堆填过程中不排水抗剪强度评估

沿海沿江城市地下开挖产生的工程渣土含泥量大、含水率高且较松散,主要运往渣土场进行堆填处置。由于产量巨大而处置场地有限,许多渣土场在运营过程中存在堆填速度快、缺乏排水设施、超高超库容堆填等问题,容易引发堆填体失稳事故。目前对于非饱和工程渣土堆体在快速堆填过程中的失稳机制认识尚不清晰,尤其是对这一过程中的高饱和度工程渣土强度增长规律缺乏足够的认识。以深圳红坳渣土场填料——花岗岩风化料(CDG)填土为研究对象,对不同初始饱和度土样进行三轴不排水不排气等向压缩和剪切试验,结果表明:非饱和CDG填土不排水抗剪强度随围压增大呈非线性增长,增长速率与试样初始饱和度密切相关;当土样压缩后的饱和度超过0.7,不排水强度随围压的增长速率显著降低。基于有效固结应力法的原理,结合Hilf孔压公式和修正剑桥模型,提出了一种工程渣土不排水抗剪强度估算方法,并通过与试验结果对比验证了该方法对初始饱和度高于0.6的CDG填土的适用性。利用该方法确定的不排水强度cu与正应力σn的关系可应用于高饱和度工程渣土快速堆填中的稳定性分析。     

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。     

含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征分析

天然岩体中常含有多组相互交叉的贯通节理,它们的存在极大地削弱了岩体的力学性质。为了研究含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征,基于弹塑性数值流形方法,对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟。结果表明：岩体强度随节理倾角的变化曲线呈现出多波峰、多波谷特点,岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数形式。根据节理状态,两组节理岩体的破坏模式可以分为3种：岩块破坏、沿一组节理滑移和沿两组节理滑移。两组节理均会影响岩体强度,一组起主要作用,另一组起次要作用,并且节理组之间存在相互影响。通过对数值计算结果进行回归分析,基于一组节理岩体强度预测模型,量化节理组之间的相互影响,提出适用于含两组交叉贯通节理岩体的强度预测模型。模型形式简单,使用方便,可为实际工程中正确评估岩体强度提供指导性意见。     

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     

饱和度对风化花岗岩边坡土体抗剪特性的影响

强降雨易诱发风化花岗岩边坡浅层滑坡,其滑坡滑动面多位于具有较大孔隙尺寸的强风化带。通过对广西玉林与梧州交界处风化花岗岩边坡浅层滑坡的现场勘查和对不同层位的土体进行物理力学试验,研究了饱和度对湿热地区风化花岗岩双层土质边坡抗剪强度的影响,发现两个风化带土体都存在一个“最优饱和度”使抗剪强度达到峰值,但饱和度对抗剪强度指标的影响规律不同,即饱和度对黏聚力影响很大,对内摩擦角影响很小;花岗岩全风化带与强风化带土体性质差异明显,尤其表现在饱和度影响下抗剪强度特性方面,从基质吸力理论和颗粒间胶结作用角度分析所发现的现象,可以清楚地解释产生差异的机制,为风化花岗岩边坡的开挖和滑坡的防治提供理论基础。     

不同温度条件下饱水风化花岗岩强度及变形特性分析

为研究温度和围压对风化花岗岩抗压强度、 剪切强度参数及变形特性的影响规律, 以新疆天山某一矿区的风化花岗岩为研究对象, 对不同温度（15、 -5、 -15 ℃）、 不同围压（0、 4、 7、 10 MPa）条件下的饱水风化花岗岩进行单轴和三轴压缩试验。结果表明： 相同温度条件下, 围压在0 ~ 10 MPa变化时, 风化花岗岩三轴抗压强度随围压线性增大。在相同围压下, 抗压强度随温度的降低而明显提高, 风化花岗岩的黏聚力c随温度降低而增大, 内摩擦角φ随温度的降低呈增长趋势。弹性模量随围压的增大不断提高, 但随着温度的降低, 增长幅度逐渐减小。泊松比也随温度降低和围压的增加呈增大趋势。温度和围压对风化花岗岩试样的破坏形态影响机制不同。温度降低使矿物颗粒及内部的微裂纹和间隙收缩, 进而胶结强度增大; 荷载和围压的增大会使岩石内部形成微裂隙并逐渐贯通, 同时孔隙冰破碎裂隙充分接触, 进一步增加摩擦力提高岩石强度。     

基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的岩坡稳定性分析

针对岩质高边坡的稳定性分析问题,开展了基于广义Hoek-Brown破坏准则强度折减法的研究。提出了判别强度折减法合理性的两个基本标准：与Mohr-Coulomb准则强度折减法的一致性和能否体现节理岩体的真实破坏特征。基于以上标准,对比了3种不同的基于广义Hoek-Brown破坏准则的强度折减方法：σci、mi,σci、GSI和mi、GSI均同比折减,理论分析表明：mi、GSI同比折减更符合前述标准。最后,通过对工程实例的对比研究,验证了这一结论,并提出mi、GSI同比折减更能体现节理岩体的真实破坏特征,因而其安全系数的计算结果也更加真实可靠。     

Stereology-based fabric analysis of microcracks in damaged granite

Crack-related fabric analyses were carried out in terms of crack tensors using Inada granite deformed inelastically in a triaxial vessel up to post-failure, focusing on the fabric changes during brittle failure. Complementarily, numerical simulation tests were conducted to determine the representative volume element (RVE) required for crack surveying. Numerical simulation tests show that the window size for crack surveying should be at least six times the mean trace length in order to obtain a statistically meaningful crack tensor. A larger window is needed to estimate the distribution of crack radii. In quartz, cracks grow preferentially parallel to the major loading axis. Crack tensors in quartz can provide a measure of damage reflecting inelastic deformation under differential stress in past geological events. During the first stage of inelastic deformation, the number density of cracks decreases with a rather sharp increase in crack diameters. This happens because pre-existing cracks in intact rock join together to make longer cracks. However, the density remains almost constant during the second stage of loading from 90% to 100% of the peak stress. The crack diameter gradually increases due to the stable propagation of cracks. When granite is further deformed beyond the peak stress, the number density decreases again while sharp increases in crack diameters appear as a result of the forking and coalescence of cracks. It is also suggested that load-normal grain boundary cracks are generated as a result of the rolling and sliding of disintegrated blocks in the post-failure stage.