岩石有限应变测量的莫尔圆图解网法

通常进行的应变测量需经过繁杂的数学计算或莫尔圆作图才能获得应变结果。本文介绍了笔者新设计的莫尔圆图解网及其使用方法。它可以快速准确地作出莫尔圆,进而求得应变结果,也可用于求解应力莫尔圆问题。     

基于弹性应变能的岩石强度准则

为建立更符合岩石屈服与破坏机制的强度准则,基于能量转化是岩石屈服与破坏的本质属性,采用试验与理论分析相结合的方法,对岩石屈服与破坏准则进行了研究。以岩石强度与整体破坏准则为基础,通过引入弹性应变能释放分散系数,建立基于弹性应变能强度准则;分别采用M-C准则、Murrell准则、三剪能量准则、统一能量准则、三维H-B强度准则及基于弹性应变能岩石强度准则对盐岩和花岗岩的破坏强度进行了计算。结果表明,基于弹性应变能岩石强度准则的计算结果与试验值比较吻合（尤其是真三轴试验条件下）,并且分析了产生上述结果的内在机制。所建立的强度准则仅需测定常规岩石力学参数（单轴抗压强度与泊松比）,物理力学意义明确,对于定量描述岩石的屈服与破坏特性具有重要的意义。     

岩石材料应变软化模型及有限元分析

本文应用弹塑性理论,根据岩石的应力应变关系、峰值强度、残余强度和岩石材料的脆性特性,建立了理想的应变软化模型,并提出了相应的加载准则。文中提出的模型计算方便,所用参数简单,物理意义明确,便于编制有限元程序。     

基于Hoek-Brown准则的岩石应变软化模型研究

基于Hoek-Brown(H-B)准则,根据大量试验数据,研究提出一种具有广泛适用性的岩石应变软化模型。利用40种硬岩和软岩三轴试验数据,验证了3参数幂函数型围压函数广泛适用于硬岩和软岩峰后临界塑性应变与围压的关系描述,并将其引入塑性内变量中;其次,比较分析当前基于H-B准则的岩石应变软化模型中软化参数的合理性,明确以GSI作为软化参数的方法最优,拟合结果正确且参数最少。然后,分析岩石峰后GSI随塑性内变量的演化规律,并建立一种普适的非线性演化模型。与其他演化模型相比,所建模型可更准确地描述不同种类岩石峰后H-B强度参数的非线性演化规律,同时参数较少。接着,采用非关联流动法则,将所建GSI演化模型嵌入有限元软件ABAQUS中,实现软化模型的数值求解。最后,对多种岩石的室内试验模拟结果表明,所建模型可正确描述不同围压下硬岩和软岩的峰后应变软化变形及剪胀变形,具备良好的适用性。与定临界塑性应变或定剪胀角的应变软化模型模拟结果相比,所建模型模拟曲线可一致性地与试验曲线接近。     

广义双剪屈服准则在岩石力学中的应用

本文就适合于岩石力学的广义双剪屈服准则、双剪帽子模型、双剪角隅模型以及与洛德(Lods)参数对应的双剪参数t_τ,利用有限元法结合实际工程中的算例进行了全面研究。初次用某高地应力区花岗岩进行的真三轴试验和计算结果表明,岩石强度符合广义双剪准则。双剪强度理论具有概念清晰,考虑了应力状态的各个分量,能够反映中间主应力效应等特点,并且可以节省大量工程投资,具有较大的经济价值。     

一个与弹性应变能相协调的脆性横观各向同性材料破坏准则

岩土材料广泛存在于自然界中,在重力沉积作用下表现出明显的横观各向同性。为了更好地研究横观各向同性材料的破坏机制,基于Christensen提出的破坏准则应与弹性应变能函数相协调的思想,推导了横观各向同性材料的弹性应变能,通过应变能的分解和整理,分析了应变能中各项所表示的物理意义,确定了级数展开的基,从而使得应变能函数和材料破坏准则在形式上具有一致性,最终提出了一个适用于脆性横观各向同性材料的破坏准则。该准则由5项能够与弹性应变能相协调的部分组成,仅包含5个独立且物理力学意义清晰的参数。基于常规试验给出了5个独立参数的确定方案。通过与Tsai-Wu准则及已发表的多组试验数据的对比,验证了准则的正确性。     

莫尔包络线对数模型方程的建立与应用

从研究岩石破坏机理着手,结合室内相关岩石力学试验,建立莫尔包络线对数模型方程,并对其进行参数率定,得出应用范围、变化趋势和岩石的破坏机制,简化岩石破坏强度的研究,可推广到其它的岩石力学实验中。     

岩石高边坡开挖卸荷松弛准则研究与工程应用

基于对卸荷松弛过程和机制的定性分析,提出了以岩石极限拉应变作为卸荷松弛的判别准则。通过对岩石极限拉应变室内试验资料与其抗拉强度之间关系的分析,并结合小湾工程卸荷松弛分析的成功实践经验,提出了极限拉应变值的取值原则,并明确了岩石边坡开挖后实际拉应变的计算方法。运用三维弹黏塑性加锚节理岩体流变模型,将该准则和计算方法应用于锦屏一级拱坝建基面开挖卸荷松弛的数值分析中,通过与实际开挖揭示和声波测试资料的对比,结果表明分析结果较为合理,为工程建设提供了有益的指导     

修正应变能密度因子准则及岩石裂纹扩展研究

由应变能密度因子理论得出裂纹沿着形状改变比能密度因子最小的方向扩展,但理论中所使用的应力强度因子是在拉应力作用下计算得出的,而自然界中的岩体通常处于压应力场中。因此,在修正的应变能密度因子理论的基础上,结合压缩荷载作用下的裂纹尖端应力强度因子,并考虑裂纹面之间的摩擦作用得出了针对压缩荷载作用下的岩石裂纹扩展的应变能密度因子理论,并运用该理论分析了裂纹倾角、围压以及裂面摩擦力对破裂角的影响,将分析结果与已有的试验和数值分析结果进行比较,取得了良好的一致性。分析得出,在单轴压缩荷载作用下临界破裂荷载随着裂纹倾角的增大而先减小、后增大,并且一个裂纹倾角对应多个破裂角,即裂纹朝多个方向发展;在三轴压缩荷载作用下,破裂角与围压大小有关。此研究成果可为压应力场中岩石裂纹扩展的数值模拟提供参考。     

基于应变能密度理论的岩石破裂数值模拟方法研究

采用双线性应变软化本构模型结合能量耗散原理建立了损伤本构方程,并通过应变能密度理论建立了细观单元岩石破坏的能量判别准则。当某一单元所存储的应变能超过某固定值时,单元进入损伤状态,同时单元的损伤程度随着能量耗散的增加而增加,损伤单元的材料属性也随之改变,直到变为具有一定残余强度的单元。随着荷载增加,单元损伤的程度变大,当单元储存的应变能超过所建立的能量判别准则时,定义单元破坏,随着破坏单元的数目不断增多,破坏单元相互连通形成宏观裂纹,实现了利用线性计算完成非线性计算的过程,避免了数值计算在单元断裂时的奇异性,模拟了岩石的峰后破裂行为。对上述算法利用FLAC中的FISH语言开发了岩石破裂化计算程序,并将该程序成功应用于巴西劈裂和中间裂隙拉伸试验的破裂模拟过程中,其模拟结果与相应的理论和试验结果吻合较好,说明该方法对于模拟岩石破裂过程的正确性和可行性。     

大型地下洞室高边墙的拉应变准则研究

高地应力等复杂环境下大跨度地下洞室群开挖容易诱发高边墙的脆性拉裂破坏,在Mohr-Coulomb准则基础之上,基于拉应变准则,提出大型地下厂房高边墙破坏的复合拉剪屈服准则。根据弹塑性理论,张拉和剪切屈服分别采用相关联和非相关联的塑性流动法则,详细推导了该准则在有限差分法中的计算格式,并对张拉和剪切屈服面的应力空间进行了分界。利用C语言程序编写的动态链接库文件,实现了该准则在通用软件的科学仿真计算。以高应力地区的拉西瓦水电站地下厂房为工程实例,与FLAC3D自带的拉剪屈服准则相比,基于拉应变准则的计算结果表明,大跨度高边墙拉破坏明显,塑性区以及应力松弛区的面积更小,能合理描述硬岩高边墙的脆性拉裂破坏特征。大型硬岩地下洞室群的计算分析验证了该准则的合理性和实用性     

岩石材料的一种非线性三参数强度准则及应用

为了更好地描述岩石材料在多种复杂应力作用下的强度状态,在已提出的双T~2强度理论基础上,建立了一种新的非线性三参数强度准则。通过与Westerly花岗岩等5种岩石材料试验数据的比较,对准则在σ_1=σ_2σ_3,σ_1σ_2=σ_3,σ_3=0、σ_10、σ_20,σ_30和σ-τ 5种复杂应力状态下的合理性和适用性进行了讨论。研究表明:待定系数A、B、C可通过简单的试验确定且具有明确的物理意义;不同岩石材料的极限应力比α和β对应不同的强度理论;非线性三参数强度准则的π平面迹线介于单剪强度理论和Mises准则、双剪强度理论之间,符合各向同性材料屈服面三轴对称和外凸的公设;理论预测曲线可反映岩石材料中主应力效应的区间性与静水压力效应,并与多种岩石材料在复杂应力状态下的强度变化趋势基本吻合。     

煤系不同岩石组合类型应力—应变特点的有限元模拟

本文应用二维有限元方法模拟煤系中４种不同岩石组合类型在区域拉张力作用下的应力－应变特点，成功地解释了山西霍州矿区断层在横向上，纵向上发育的差异性，从而指出了地质条件相似的矿区，利用煤田勘探资料预测小断层密集区（带）的途径。     

基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型在隧道工程中的应用

基于Hoek-Brown强度准则及量化GSI围岩评级系统,分析岩体强度弱化行为,总结出确定岩体峰值及峰后强度参数的方法,提出应变软化模型的简化计算方法,并以FLAC3D数值模拟软件为工具,采用收敛-约束法对深埋大断面隧道支护结构及围岩稳定性进行分析,计算出支护结构安全系数。通过分析得出：随着围岩应力释放,岩体软化参数随之减小,岩体强度弱化行为突出;高地质强度GSI指标（GSI=75）的岩体虽然强度弱化程度较大,但围岩的变形量仍然较小,而低GSI指标（GSI=25）的岩体表现出了理想弹塑性行为;提出的简化Hoek-Brown应变软化模型适合应用于隧道中岩质相近区段围岩的研究;采用收敛-约束法对隧道支护结构的稳定性进行分析,可为隧道工程的初期支护优化设计及安全性评价提供参考。     

应变软化Tresca材料中扩孔问题解答及其应用

依据常规试验成果,对岩土材料的剪胀、剪缩和应变软化特性进行简化后,利用弹塑性理论和体积平衡原理,推导出应变软化Tresca材料中扩孔问题的一般解答,并分析了不排水饱和土扩孔问题的规律性,对解决诸如沉桩挤土效应等工程问题具有一定的应用价值。     

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。     

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。     

SMP准则在计算煤柱极限强度中的应用

基于黏性材料的SMP（spatially mobilized plane）破坏准则,分析了煤柱在三维应力状态下的应力问题,并推导了煤柱极限强度的计算公式。通过改变煤体的内摩擦角? 和凝聚力c,与Mohr-Coulomb准则下煤柱极限强度以及简化的A. H. Wilson公式得到的煤柱极限强度进行对比,结果表明,Mohr-Coulomb准则和A.H.Wilson公式由于忽略了煤柱中主应力的影响,其得到的极限强度计算公式低估了煤柱实际极限强度,说明基于黏性材料的SMP准则下的煤柱极限强度计算符合实际,对于分析煤柱的稳定性具有一定的现实指导意义。     

砂泥岩间互地层等效岩石力学参数计算模型及其应用

以地层岩石的变形分析为基础,从能量的角度出发,利用应变能理论及能量守恒定律推导出了等效岩石力学参数的一般计算公式,并建立了测井资料计算模型;利用该模型计算了库车坳陷克拉A气田目的层系巴什基奇克组的等效岩石力学参数,并以计算结果为基础进行了应力场及储层裂缝的数值模拟;最后讨论了等效岩石力学参数测井资料计算模型的优点及适用条件。模拟结果显示,储层裂缝集中发育在背斜高点及单斜构造部位,与气田目前的开发实践基本一致,表明了所建模型的合理性;等效岩石力学参数适用于区域性的横向应力场及储层裂缝预测,不适于预测局部或垂向上的储层裂缝分布规律。