基于Hoek-Brown的岩石横观各向同性屈服准则研究

为了描述岩石强度的各向异性特征,通过引入材料的微结构张量,考虑单轴抗压强度σ_cβ随层理倾角β而变化,提出了基于微结构张量的修正Hoek-Brown屈服准则。开展不同层理倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的页岩试样不同围压(0、5、10、15和20 MPa)下的三轴压缩试验,结果显示,页岩峰值强度与层理倾角β呈"U"形曲线关系,在围压较低时呈"肩"形曲线关系,弹性模量E_t和泊松比ν对围压不敏感,其平均值随层理倾角β的变化关系分别呈倒"U"形、"肩"形。页岩的微观和宏观破坏图像表明,其破坏模式受围压和层理倾角双重控制。试验值与模型预测值的对比表明,修正的Hoek-Brown屈服准则可较好地对页岩强度的各向异性进行模拟。同时,采用Koteshwar千枚岩、Koteshwar板岩、绿泥石片岩等层状结构岩石的单轴和三轴压缩试验数据,进一步验证了提出的修正Hoek-Brown屈服准则对多数具有层理结构的横观各向同性岩石峰值强度模拟具有普遍适用性,并对屈服准则在试验数据较多和较少情况下的峰值强度模拟效果进行了评价。     

层状岩体三维可视化构模与数值模拟的集成研究

由于数据结构的差异,用于岩土工程三维可视化的网格与用于数值模拟的计算网格之间存在本质差异,如何通过两种网格的共享实现三维地质模型与数值模拟之间的集成是岩土工程建模的重要内容。在对层状岩体三维可视化网格与数值模拟网格的特点进行剖析的基础上,提出了基于松散模式的三维规则格网与FLAC3D基本元素之间的转化方法,从理论上实现了“可视”与“可算”的结合。将其应用于我国某海底隧道的选线研究中,证明了该方法的合理性和有效性。     

层状岩体巷道弯曲变形的有限元模拟

在缓倾斜或水平层状岩体中开挖巷道时巷道顶底板弯曲变形和破坏的问题十分突出,巷道往往因这些部位发生过大变形而率先破坏,导致结构的整体失稳。根据层状岩体的特点,分析了其弯曲变形破坏的机理和条件,利用考虑偶应力的Cosserat介质理论,基于Matlab平台编制了相应的计算程序,对水平层状岩体巷道的变形特征及影响因素进行了模拟研究,结果表明Cosserat理论对层状岩体巷道的开挖模拟是适用的,而且简便。     

层状岩体的成因及成矿作用

层状岩体的典型特征是其具有层状构造和韵律结构。层状镁铁质岩体不仅是研究岩浆分异演化过程和地壳混染作用的最佳天然实验室,其中还广泛赋存重要的稀有金属和贱金属矿床。文中主要总结了不同类型层状岩体形成的构造背景、基本特征、母岩浆特征和韵律层理成因,以及岩浆混合和地壳混染在岩浆演化过程中起到的重要作用。文中还介绍了层状岩体中典型矿床的成矿作用与岩浆演化过程的成因联系。     

平行层状岩体的自重应力场

将平行层状复合岩体视为等效的模观各向同性体，推导出自重荷载下地应力的理论解，并分析了两个水平主应力受岩层倾角和岩体弹性参数的影响，结果表明，与各向同性岩体相比，水平主应力的变化范围增大了，并且两上水平主应力可能不再相等，而岩层倾角对水平主应力之比影响显著，当倾角从0－90度变化时，两个水平主应力能从相等到相差内倍，这也说明在地应力研究中，考察岩体的各向异性是十分必要的，所导出的自重应力场解答对地下工程问题具有一定的实用价值。     

峨眉山玄武岩和白马层状岩体的铬镍地球化学

文章讨论了峨眉山玄武岩及白马基性、超基性岩体的微量元素地球化学特征。对Cr、Ni富集的地球化学条件进行了探讨,认为在母岩浆分离结晶早期形成的堆积层,即结晶度很小的橄榄岩有利于寻找富Cr、Ni层位。     

Determination of Shear Strength and Three-dimensional Yield Strength for the Hoek-Brown Criterion

Summary. Most currently used techniques for analysing the stability of near surface structures, such as rock slopes, are based on the application of the effective Coulomb shear strength parameters cohesion c′, and the angle of friction φ′ on some known or anticipated shear surface subjected to an effective normal stress σ′_n. The most widely used of these techniques are the variants of the method of slices and related upper bound techniques. If the Hoek-Brown criterion is to be used to model the strength of near surface fractured rocks, it is necessary to determine equivalent Coulomb shear strength parameters for the specified level of effective normal stress. Calculation of the equivalent Coulomb parameters for the Hoek-Brown criterion for cases when a ≠ 0.5 is not a straightforward matter. A simple procedure for calculating instantaneous values of c′_i and φ′_i has been developed based on spreadsheet calculations and the application of a numerical optimisation routine. This procedure can also be applied to calculating the Hoek-Brown envelope plotted in shear stress/normal stress space. A simple closed form solution for c′_i and tan φ′_i has also been developed for the special case when a = 1. A three-dimensional version of the Hoek-Brown criterion has been developed by combining it with the Drucker-Prager criterion. This new yield criterion has been implemented by numerical solution of the governing equations. A simplification of this three-dimensional yield criterion has been developed by introducing an intermediate principal stress weighting factor. Comparison with published results demonstrates that this simplified criterion has the capacity to model the results of true triaxial tests for a range of different rock types over a wide range of stress levels. The new three-dimensional yield criterion has the advantage that its input parameters can be determined from routine uniaxial compression tests and mineralogical examination.     

具有弯曲效应的层状结构岩体变形的Cosserat介质分析方法

在反倾向层状岩体边坡、有底鼓现象的巷道以及隧洞工程中，岩体常出现弯曲变形及弯曲破坏现象。常规的等效连续介质理论忽略了梯度应力的影响，因而不能很好解决上述工程问题．Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论以具有一定尺度的微元体为研究对象，引进了偶应力及弯曲曲率概念，从而考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。本文首先介绍Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论的基本原理，然后建立有限元计算模式，最后通过算例，说明这种模式对计算具有弯曲效应的展状岩体变形问题是有效的。     

Mises屈服准则及其在钻探工具强度设计中的应用

在地质钻探工具设计和使用过程中,需要用到强度理论或屈服准则对遇到的钻采设备、工具失效等问题进行分析。为帮助人们对Mises屈服准则（应力）的理解,从理论上阐述了Mises屈服准则与畸变能密度理论的关系,其实质就是第四强度理论。在弹塑性范围内,Mises屈服准则统一了单向拉压状态的第一强度理论、复杂应力状态的第三强度理论和第四强度理论。Mises屈服准则在有限元数值分析中获得了更为广泛的应用。     

基于Hoek-Brown准则确定核电工程场地岩体力学参数

岩体与岩石的力学强度之间既有内在联系又存在明显的差异,场地岩石力学指标对于评价场地岩体的力学特性至关重要。以三门核电场地为研究对象,在室内岩石力学试验的基础上,结合野外地质调查,综合考虑岩体结构特征和应力分布状态等因素的影响,引入定量描述岩体结构特征和风化程度的地质强度指标（GSI）,采用Hoek Brown强度准则估计岩体力学参数,同时与岩体地质力学分类法（RMR）计算得到的岩体力学参数进行对比分析。基于GSI的Hoek-Brown法得到的中等风化凝灰质砂岩、微风化凝灰质砂岩和微风化安山玄武岩岩体的c值分别为4.03、6.20、6.10 MPa,φ值分别为31.96°、34.37°和33.87°。基于RMR评分的Hoek-Brown法得到的c值分别为4.42、6.44、7.24 MPa,φ值分别为28.92°、32.43°和34.51°。研究结果表明,采用Hoek-Brown准则确定的核电场地岩体力学强度指标比较合理,得到的岩体力学指标可以作为核电站基础设计的重要依据。     

凤岗隧洞三维非线性仿真模拟

针对凤岗隧洞V类围岩进行了三维非线性仿真模拟,提出了软岩洞室开挖产生空腔效应和损伤弱化效应,建立用塑性区参数弱化的方法拟合收敛变形取得了较好的效果。还讨论了空间效应、加固效应以及施工优化方案,论证了隧洞的稳定性。     

土的三重屈服面应力-应变模型与SMP准则的结合

土的三重屈服面应力应变模型在国内有一定的影响力,它把土的塑性应变分成3部分,每一部分对应一个屈服面,分别为压缩屈服面、剪切屈服面和剪胀屈服面,从而在一定程度上反应了土的基本特性。但它在由三轴压缩应力状态向其它应力状态转化时,塑性系数需要重新确定,比较繁琐。而SMP准则能合理反映土的破坏特性,在国际上有一定的影响力。借用应力变换三维化方法,通过把土的三重屈服面应力应变模型和SMP准则相结合,使得原有的模型在不做任何假设的条件下,采用统一的塑性系数,由三轴压缩应力状态简单地转化到一般应力状态,并且能够考虑应变的分叉特性,能合理地预测已有的试验数据。     

有自由面渗流分析的三维数值流形方法

提出了求解有自由面渗流问题的三维数值流形方法,通过构造任意形状流形单元的水头函数,推导了流形单元的渗透矩阵和无压渗流分析的总体控制方程,并给出了自由面的迭代求解策略和渗透体积力的计算方法。典型算例的数值分析表明,该方法采用数学网格覆盖整个材料区域,在自由面的迭代求解过程中数学网格保持不变,只考虑自由面以下渗流区的介质,只对自由面以下的流形单元形成总体渗透矩阵,具有精度高、收敛速度快、编程简单等优点,而且能够通过单纯形积分精确计算被自由面穿越单元的渗透作用力,因此,特别适用于有自由面渗流问题的模拟。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面，相对于其它方法具有一定优势，但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线），已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数，因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化，当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时，判断边坡为稳定状态；当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时，判断边坡为极限平衡状态；当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时，判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好，安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小；传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准，当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点，很难准确计算对应的安全系数，更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响，而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化；确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致，提出的 失稳判据适用于强度折减法。