岩石试样的强度准则及内摩擦系数

岩石是一种非均质材料并含有各种缺陷,利用岩样的应力应交全程曲线可以确定理想强度,在排除岩样缺陷后讨论峰值强度与围压的关系,即强度准则。通过岩样剪切破坏后保持轴向变形恒定降低围压试验,可以确定岩样由摩擦力维持的承载能力随围压的变化关系。比较峰值强度和残余强度随围压变化关系的异同,可以研究岩样屈服过程中内摩擦系数的变化情况,以及内摩擦力对岩样变形特性的影响。粉砂岩试样在峰值应方时内摩擦系数已经达到最大值,峰后只是粘结力或者说是材料强度的降低过程,围压对变形没有明显影响。大理岩试样屈服过程中内摩擦系数不断增加,而内摩擦力的增加量与围压有关,高围压时只有材料强度完全丧失之后,由内摩擦力达到岩样的承载极限。内摩擦力系数随屈服过程增大,是岩石由脆性转交为廷性的根本原因。      

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。     

常规三轴压缩条件下的负乘方型岩石强度准则

为较高精度地评估岩石在不同围压条件下的三轴强度,根据岩石破坏时的主应力差与围压呈上凸的非线性特征,提出负乘方型强度准则。通过将该准则与Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则进行精度比较,结果表明,乘方型准则参数对围压变化具有较低的敏感度,且该准则可以更高精度地评估岩石三轴强度。应用公开发表文献中多种不同类型岩石的三轴试验数据,对负乘方型强度准则的适用性进行验证,结果显示,在不同围压条件下,该准则评估的岩石三轴强度与试验强度均非常一致,说明负乘方型准则对评估不同类型岩石的三轴强度具有较好的适用性;同时,通过与目前岩石力学界认为较好的指数型准则的比较,得到两种准则评估的岩石三轴强度平均相对误差MRE均在5%以内,其中负乘方型准则具有更高的精度。该准则可为深部岩石工程开挖与支护等设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

岩石抗剪强度参数的理论概率分布形态研究

岩石抗剪强度参数的概率分布形态是岩石工程可靠度分析和设计的基础。在考虑完整岩石压缩强度为服从正态分布随机变量的条件下,针对Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则的线性系数形式,基于随机变量函数分布理论推导出岩石抗剪强度参数内摩擦角 和黏聚力 的概率密度函数。 和 概率密度函数显示：不仅岩石压缩强度和抗剪强度参数概率分布具有非一致性,而且根据不同屈服准则计算得出的岩石抗剪强度参数概率分布也具有非一致性。在进一步分析屈服准则系数具有不同变异系数和相关系数时的抗剪强度参数概率密度函数特征的基础上,提出根据概率分布的偏度和峰度确定一般情况下抗剪强度参数概率分布形态的方法,从理论上解决岩石压缩强度与抗剪强度参数分布的协调性问题。最后,对大理岩常规三轴压缩试验得出的抗剪强度参数进行大样本统计分析,验证了其概率密度函数理论推导的正确性以及概率分布形态确定方法的合理性。该研究为实际岩石强度概率分析时选择抗剪强度参数合理概率分布形式提供了理论指导。     

适用于冻土的广义非线性强度准则

冻土与融土的主要区别是冰,温度变化影响着孔隙冰含量,进而影响着冻土的物理力学性质．广义非线性强度准则用一个表达式描述了材料在“平面及子午面上的非线性强度特性,其在主应力空间的π平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线,子午面上的破坏函数为幂函数曲线．在该准则的框架下,通过国内学者已取得的冻土材料的...     

Fitting strength criteria to intact rock

Summary Rock strength data covering the full range of possible stress conditions are presented for three rocks: a granite, a limestone and a salt rock. The Hoek and Brown square root parabola and the Johnston criteria are fitted to the strength data coming from around 500 laboratory tests. The fitting procedure is facilitated by a specially built PC code, ROCKER, which is available to anyone on request.The Hoek and Brown criterion is modified through the inclusion of a third parameter to account for the low tensile strength of the salt rock. A new criterion, the Rocker function is formulated to follow strength data closely in the tension-low confining pressure region.     

结构面抗剪强度参数线性拟合方法适用性研究

针对岩体结构面力学参数的重要性,开展最小二乘法、点群中心法、随机-模糊法、可靠度分析法4种结构面抗剪强度参数线性回归方法的理论对比与分析。在传统点群中心法的基础上,提出求解过程严密、计算精度较高的改进优化算法。为保证可靠度分析法中验算点法参数初始赋值的准确性,提出基于可靠度理论的结构面抗剪强度参数c, 的均值、标准差优化赋值方法。以武隆县鸡尾山滑坡为例,比较不同岩体结构面数据条件下上述4种方法的适用性。结果表明,各方法的适用性与试验数据的离散性及数据量有关;当数据线性理想时,4种方法均可直接用于结构面抗剪强度参数的线性回归分析;当试验数据较离散时,点群中心法已不再适用,可根据工程要求、异常值情况和计算收敛情况选取合适的数据处理方法。     

含盐冻结粉质砂土的强度参数和强度准则试验研究

对含盐冻结粉质砂土进行温度-2 ℃、-4 ℃、-6 ℃和围压0.3~16 MPa的三轴强度试验. 结果表明: 含盐冻结粉质砂土应力-应变曲线在低围压和高围压表现为应变软化特征, 中围压为理想塑性变形特性; 随着围压的增大, 强度先增加后减小. 在围压小范围内得到广义黏聚力和广义内摩擦角, 并得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压和温度的变化规律; 同时, 针对强度随围压的变化, 提出非线性强度准则.     

有限元强度折减法计算边坡稳定的对比分析

采用目前边坡稳定性分析比较流行的强度折减法,对比研究了MIDAS/GTS、FLAC、ANSYS配合Drucker-Prager（简称D-P）屈服准则和Mohr-Coulomb（简称M-C）屈服准则时软黏土、硬黏土、弱膨胀土3种工况下计算结果的偏差。软黏土工况下D-P准则和M-C准则计算结果的偏差相对较小,当边坡土体为硬黏土时,采用D-P准则与采用M-C准则计算结果的偏差明显增加。3种软件2种屈服准则下的计算结果都反映出,硬黏土的滑动面比弱膨胀土和软黏土的滑动面浅,而且同等情况下MIDAS计算得到的滑动面比ANSYS计算得到的滑动面浅;坡度较小时FLAC（M-C）计算的安全系数比MIDAS（M-C）计算得到的大,坡度较大时则相反;坡度较小时计算过程中先出现塑性区贯通,后出现计算不收敛;坡度较大时计算过程中先出现计算不收敛,后出现塑性区贯通。坡度较小时计算不收敛时的折减系数与出现塑性区贯通时的折减系数差别较大;坡度较大时这一差别较小,甚至计算到不收敛时塑性区仍未贯通,在用MIDAS计算时这一现象反映得更加明显。     

基于非线性统一强度理论的节理 岩体地基承载力研究

现有的节理岩体地基承载力计算方法大多是以Hoek-Brown强度准则为基础建立的,没有考虑中间主应力的效应,不能充分发挥岩体的强度潜能。综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点,结合临界滑动场理论求解地基承载力,并考虑地震荷载的影响。计算结果表明,基于非线性统一强度理论的地基承载力有不同程度的提高,现有方法中的地基承载力偏于保守;在地震荷载作用下地基承载力有一定程度的降低。     

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。     

An anisotropic strength criterion for jointed rock masses and its application in wellbore stability analyses

In this paper, an anisotropic strength criterion is established for jointed rock masses. An orientation distribution function (ODF) of joint connectivity, is introduced to characterize the anisotropic strength of jointed rock masses related to directional distributed joint sets. Coulomb failure condition is formulated for each plane of jointed rock masses by joint connectivity, where the friction coefficient and cohesion of the jointed rock mass are related to those of the intact rock and joint and become orientation dependent. When approximating joint connectivity by its second‐order fabric tensor, an anisotropic strength criterion is derived through an approximate analytical solution to the critical plane problem. To demonstrate the effects of joint distribution on the anisotropic strength of jointed rock masses, the failure envelopes are worked out for different relative orientations of material anisotropy and principal stress axes. The anisotropic strength criterion is also applied to wellbore stability analyses. It is shown that a borehole drilled in the direction of the maximum principal in situ stress is not always the safest due to the anisotropic strength of the jointed rock mass. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.