中间主应力对垂直井井壁坍塌压力的影响

运用线弹性本构模型来分析垂直井井壁应力分布,并分别用Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Mogi-Coulomb准则3个强度准则来计算平谷地应力测量与监测钻孔维持井壁稳定所需的最小钻井液液柱压力。通过对比分析得出考虑中间主应力的作用,会使岩石强度得到加强,使得维持井壁稳定所需的最小液柱压力降低;3个准则得出的最小液柱压力在与深度的对应图中表现出一致的变化趋势,说明3个准则有各自的适用性;比较而言Mohr-Coulomb准则偏于保守,Drucker-Prager准则偏于危险,而Mogi-Coulomb准则要优于前两个准则。     

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。     

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。      

两种强度准则在Cosserat扩展模型弯曲变形中的应用

目前对Cosserat扩展模型的有限元分析均是运用Mohr-Coulomb强度准则,但由于Mohr-Coulomb强度准则的六边形屈服面是不光滑且有尖角,这些尖角可能会导致其应用于Cosserat弹塑性分析时的计算困难,Drucker-Prager强度准则正可被看成Mohr-Coulomb强度准则为避免这些困难而做的光滑近似,因此很有必要对基于Drucker-Prager强度准则的Cosserat理论进行研究。利用MATLAB分别编写了基于Mohr-Coulomb和Drucker-Prager强度准则的Cosserat扩展模型的有限元程序,并对在互层岩体中开挖的洞室进行了变形分析。结果表明,两种强度准则均可用于Cosserat扩展等效模型,但基于Drucker-Prager强度准则的有限元程序收敛速度更快,稳定性更好,能得到更为理想的结果。     

基于幂强化本构模型的轴对称圆巷弹塑性解

轴对称圆巷的弹塑性求解的关键是选择合适的屈服准则。已经有诸多学者选择Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Hoek-Brown准则等,进行了相应的求解。为了探讨更符合工程实际需要的准则和求解,在考虑岩石材料的应变强化效应的条件下,建立了轴对称圆巷的幂强化本构模型和基于Drucker-Prager屈服准则的幂强化-理想塑性模型,并进行了弹塑性求解。以工程实例为计算条件,将幂强化-理想塑性模型的计算结果与基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则的理想塑性模型和幂强化模型的计算结果分别进行了对比,分析幂强化参数对围岩弹塑性解的影响。研究表明,应变强化效应对围岩稳定性有较大影响,对于应变强化效应较强的岩石材料,采用幂强化模型分析更接近工程实际。     

横观各向同性水敏性地层斜井眼坍塌压力确定

在以泥页岩为目标储层的非常规油气藏水平井开发中, 钻遇井壁的稳定性问题突出, 一方面是由于在设计钻井液密度时简单采用各向同性介质模型和Mohr-Coulomb强度准则, 另一方面则是由于选用的钻井液性能欠佳, 难以保证建井全过程的井壁稳定。为此, 将地层视为横观各向同性介质, 采用Mogi-Coulomb强度准则判别岩石基体和层理面的稳定性, 同时考虑泥页岩水化作用对岩石力学强度参数的影响, 建立了水敏性地层井壁稳定分析模型, 分析了坍塌压力随井斜、方位、钻井液性能、钻井时间等因素的变化规律。研究结果表明:对于具有显著层理面结构的泥页岩地层, 采用横观各向同性模型比各向同性介质模型更能描述强度的各向异性;采用Mogi-Coulomb准则比Mohr-Coulomb强度准则得到的坍塌压力值与实际吻合程度更高, 在保证井壁稳定的前提下有利于降低钻井液密度, 实现钻井提速;提高钻井液封堵能力、减小泥页岩吸水扩散能力, 有利于延长坍塌周期。利用东濮、威远、焦石坝等工区多口页岩气水平井的实钻资料对本文方法进行了验证, 证实本文方法确定的钻井液密度窗口下值更能满足安全钻井需求。     

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。     

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。     

饱和黏土中钻孔灌注桩孔壁稳定性力学机制研究

将饱和软黏土中钻孔灌注桩孔壁稳定性问题视为半无限体内柱形孔的卸荷收缩问题。基于SMP准则改进的修正剑桥模型,采用应力空间变换方法推导了柱孔卸荷收缩问题的弹塑性解答,得出了孔壁临塑支护荷载和孔壁颈缩的解析表达式。在此基础上,提出了维持孔壁稳定所需最小泥浆重度和孔壁稳定安全系数的计算方法,并对影响钻孔稳定性的因素进行了研究。研究结果表明,饱和软黏土中钻孔灌注桩孔壁卸荷屈服后,孔壁周围土体处于弹塑性状态,钻孔颈缩量大,孔壁稳定安全系数较小;在泥浆支护条件下,饱和软黏土中钻孔灌注桩孔壁稳定性取决于土体重度、超固结比、土体内摩擦角及泥浆重度等因素,而与钻孔深度和孔径无关;土体超固结比和内摩擦角越大,维持钻孔稳定所需的临界支护压力和最小泥浆重度越小。在实际工程中,应在保证最小泥浆重度的条件下结合工程具体情况合理选取泥浆比例。     

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。     

基于强度折减的泥浆护壁槽局部稳定性计算及影响因素

复杂地层中地连墙槽壁的稳定性直接关系到墙体的施工质量,研究土层特性及泥浆重度对槽壁局部稳定性影响具有重要意义。基于泥浆护壁槽局部失稳机制研究,构建以极限分析上限法为理论基础的失稳模型,结合非线性Mohr-Coulomb破坏准则,引入强度折减法推导得到了泥浆槽壁局部稳定安全系数和临界高度的计算公式。结合实际工程案例,运用本文方法、线性Mohr-Coulomb准则方法及Han et al.（2012,2013）的方法,对比分析了槽壁局部稳定安全系数和临界高度随泥浆重度及夹层特性参数变化的影响规律。3种方法的计算安全系数均随泥浆重度的增加而增大,随软弱夹层厚度及重度的增加而减小,随夹层土体黏聚力及抗压强度的增大而增大。相同条件下本文方法对泥浆重度变化敏感性体现较好,计算安全系数合理可靠且普遍最小。与线性Mohr-Coulomb准则方法比较可知,夹层土体材料的非线性特征仅影响破坏区域的体积大小,对区域形状基本无影响。     

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。     

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。      

基于广义Hoek-Brown强度准则的岩质边坡开挖稳定性分析

导出了广义Hoek-Brown强度准则的弹塑性矩阵计算方法,并将其用于一岩质开挖边坡施工过程模拟。同时,利用Hoek所提出的参数等效化方法对岩质开挖边坡的稳定性进行强度折减分析,揭示了开挖施工过程中边坡临界失稳模式的演变、发展过程。分析结果表明,边坡的应力-应变场、位移场、边坡的稳定性及其临界失稳模式的演变过程与采用传统的Mohr-Coulomb强度准则的发展过程是一致的,但用Hoek所提出的等效Mohr-Coulomb强度参数可能会高估边坡的稳定性。     

平面应变状态下边坡安全系数的近似求解

Mohr—Coulomb屈服准则不考虑中间主应力对材料强度的贡献,是一个保守的强度屈服准则,在近似平面应变状态下,匹配于Mohr-Coulomb屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出边坡安全系数偏保守一些的估计;相对而言,Matsuoka—Nakai和Lade-Duncan屈服准则均考虑了中间主应力对土体强度的影响,在近似平面应变状态下,匹配于Matsuoka-Nakai和Lade-Duncan屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出岩土类材料较为合理的破坏强度预测,土体的抗剪强度能被更有效地发挥出来,因而借助这些转化的Drucker-Prager屈服准则能给出平面应变状态下土坡安全系数较为合理和真实的预测。文中的边坡稳定算例证实了这些观点。     

考虑渗透力和原始Hoek-Brown屈服准则时圆形洞室解析解

采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。     

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。     

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。     

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。     

Hoek-Brown准则岩体力学参数非线性位移反分析

Hoek-Brown准则综合考虑岩体结构、岩块强度等因素,能很好地反映岩体的非线性破坏,更符合工程实际,但其参数选取的主观性及不确定性严重影响其应用效果。通过分析敏感性分析结果及Hoek-Brown准则的圆形硐室围岩位移表达式,借助FLAC~(3D)数值模拟和回归性分析建立了基于Hoek-Brown准则的非线性回归模型,结合差分进化算法提出了合理的位移反分析方法及步骤,并成功应用于青岛地铁工程。结果表明,所建立的非线性回归模型能较好地反映隧道位移与地质强度指标GSI、扰动系数D及泊松比μ的关系,所提出的位移反分析方法能较准确地反演获得GSI、D、μ值,由所得反演参数值计算的位移与现场监测位移的相对误差较小,具有良好的一致性,验证了该方法的合理性、准确性,为准确获取Hoek-Brown准则参数提供了新方法。