节理岩体本构模型与强度理论的统计断裂力学分析

本文提出了节理岩体的三维本构模型、强度理论及破坏概率的表达式。这里把节理岩体视作等效的各向异性连续介质,其具有裂隙张量S_(ifst)和柔度张量C_(ifst)。为了获得本构模型、强度判据及破坏概率,这里引用了能量平衡方程ω=ω_0+ω_c、断裂力学能量判据、岩体节理统计理论及可靠性理论,并引入了剩余剪应力τ_n,有效应力σ_(if)及最可能出现的最大节理半径a_m等概念。这套理论的初步应用是令人满意的。     

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。     

高温冻土三轴强度分布及损伤统计本构模型

由于高温冻土内部含有大量随机分布的初始缺陷,从而使其力学性质具有明显的离散性和随机性.基于3种不同围压下的试验结果,利用K-S检验法对强度的概率分布进行了拟合检验,结果表明Weibull分布能较好地描述高温冻土的强度分布,随后对强度进行了可靠度分析.基于连续损伤理论和Drucker-Prager准则,建立了高温冻土的损伤统计本构模型.通过3种不同围压下的试验结果与之对比分析,表明该模型可以较好地反映出高温冻土应力应变曲线的变化过程.     

高温冻土三轴强度分布及损伤统计本构模型

由于高温冻土内部含有大量随机分布的初始缺陷,从而使其力学性质具有明显的离散性和随机性.基于3种不同围压下的试验结果,利用K-S检验法对强度的概率分布进行了拟合检验,结果表明Weibull分布能较好地描述高温冻土的强度分布,随后对强度进行了可靠度分析.基于连续损伤理论和Drucker-Prager准则,建立了高温冻土的损伤统计本构模型.通过3种不同围压下的试验结果与之对比分析,表明该模型可以较好地反映出高温冻土应力应变曲线的变化过程.     

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Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题,在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大,严重影响冻结壁的安全与稳定。因此,研究冻结岩石的损伤本构关系,对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程,采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性,基于Drucker-Prager破坏准则,建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型,结合冻结砂岩三轴压缩试验,重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F₀与冻结温度和围压的变化关系,对损伤本构方程进行修正,并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明:在相同围压下,随着冻结温度的降低,砂岩峰值强度显著增大,峰值应变减小,压密阶段逐渐减弱,弹性变形阶段斜率增加,岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下,均质度系数m和平均强度F₀随围压升高无显著变化,而随着冻结温度的降低,m和F₀分别呈现指数增长和线性增长,说明随着冻结温度的降低,砂岩冻结越充分,内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大,尤其在0~–10℃内提升效果显著,冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律,对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现,损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征,验证了模型的合理性。研究结果为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。      

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。     

高温冻结粘土单轴随机损伤本构模型及强度分布规律

从高温冻土内部裂隙、空洞等缺陷的随机分布出发,基于连续损伤理论和概率与数理统计理论,建立了高温冻土的单轴随机损伤本构模型,并利用3种不同试验温度下的实测数据与之对比分析.结果表明:模型能较好地反映高温冻土破坏的全过程,特别是其软化特性.同时,通过冻土强度的实测与理论概率分布的比较,发现Weibull分布能很好地反映高温冻土的强度分布规律.最后,基于高温冻土强度服从Weibull分布,进行了高温冻土强度的可靠度分析.     

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。     

基于地质强度指标与区间理论的岩体抗剪强度确定方法

针对采用结构面表面特征与岩体结构的定性描述确定岩体地质强度指标（GSI）时存在主观性较强的特点,首先,以结构面表面等级（SCR）、节理特征系数（Jc）、岩体结构等级（SR）与岩块体积（Vb）分别对其进行取值量化,并根据量化指标取值过程中所具有的不确定性,采用区间数表示参数取值,在探讨各量化指标取值方法基础上建立岩体GSI区间数确定方法;其次,根据Hoek-Brown准则等效岩体抗剪强度参数转换关系,采用区间组合法进行求解,进而建立出基于区间理论与GSI的岩体抗剪强度确定方法;最后,将其用于湖南省某水电站进水口隧道岩体抗剪强度确定,与现有分析方法对比表明,该方法具有一定的合理性与可行性。在试验资料不足的情况下,该方法为岩体抗剪强度参数确定提供了一条新途径     

基于裂隙岩样的多组贯穿裂隙岩体峰后应力-应变曲线研究

在岩土工程中,裂隙岩体经常处于峰后变形状态,研究裂隙岩体的峰后应力-应变关系对预测结构的稳定性有重要意义。基于峰后软化阶段强度参数的逐渐演化行为,首先提出一个求岩石峰后应力-应变关系和裂隙峰后应力-切向位移关系的一般方法。然后采用摩尔-库仑强度准则,以岩石的最大主应变和裂隙的切向位移作为软化参数,假设强度参数为软化参数的分段线性函数,分岩体沿裂隙滑移破坏和沿岩石剪切破坏两种情况,提出多组贯穿裂隙岩体峰后应力-应变关系式的求法。最后,在算例中,分岩体沿裂隙滑移破坏和沿岩石剪切破坏两种情况给出了裂隙岩体的峰后应力-应变曲线,讨论了裂隙的平均间距、法向刚度和剪切刚度对峰后应变的影响。结果表明,裂隙的平均间距、法向刚度和剪切刚度越小,裂隙岩体的轴向应变越大。     

基于新型损伤定义的岩石损伤统计本构模型探讨

针对几何损伤理论中损伤定义的局限性与不足,对岩石损伤定义进行了改进;在此基础上,将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,建立出新型损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立出岩石统计损伤演化方程,进而建立起基于特定围压下的岩石损伤统计本构模型;然后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立了反映不同围压条件下的岩石损伤统计本构模型,并通过探讨模型参数的物理意义,初步建立了反映岩石软化与硬化特性相互转化的临界物理力学参数的确定方法。该模型能够反映岩石软化与硬化特性相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

经验参数m,s对岩体强度的影响

在研究Hoek-Brown经验强度准则过程中,不难发现,该准则将工程岩体在荷载作用下表现出来的复杂破坏,归结为拉伸和剪切破坏两种机制;将影响岩体强度的复杂因素,集中包含在准则引用的两个经验参数m(岩石软硬程度)、s(岩体破坏程度)之中。因而研究m,s两参数对岩体强度的影响,有较大的工程实用价值。本着从工程应用精度要求出发,侧重其m,s对岩体强度值计算精度的影响和规律进行了探讨和研究,指出了精确确定m,s值对岩体强度的应用与理论规律研究的重要性,同时也对工程正确应用该准则给予了启迪和帮助。     

基于统一强度理论分析不连续面对岩体强度的影响

基于统一强度理论,对含有结构面的岩体,在平面形式下引入材料统一强度参数ct,φt,推导了含单个节理裂隙岩体材料的统一强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏强度公式,并分析了其有效范围。运用硅藻质软岩和石膏的三轴试验结果,验证了所建立的公式的正确性,并分析了具有不连续面岩体的强度随中间主剪应力作用系数b的变化。结果表明,岩体强度随b值的增大而增大。根据岩土材料统一强度参数的确定方法,计算并分析了b值对强度参数的影响,从而说明强度参数随着b值的变化而变化。     

岩石统计渗流模型和统计损伤本构模型研究

采用Eshelby等效夹杂方法建立考虑渗流的岩石损伤本构模型是一种有效方法,但相关文献目前还极少。利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法, 探索了考虑渗流和损伤的Helmholtz自由比能函数的确定,用连续介质损伤力学方法建立了相应的考虑渗流的岩石损伤统计本构模型,提出了考虑渗流和损伤过程的岩石破坏准则,建议了考虑损伤和应变的岩石渗透系数演化方程。与试验结果比较表明,所建立模型是合理的。