基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法研究

混凝土面板作为面板堆石坝的关键防渗结构,其应力变形安全对保障工程安全运行至关重要。目前工程中普遍采用混凝土单轴标准强度评价面板应力安全,该方法忽略了面板应力状态对其强度的影响,会对面板破坏范围作出不合理的判断,因此,提出了基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法,该方法通过确定混凝土强度调整系数及多轴强度应力水平指标评价面板应力安全。联合基于位移多点约束法的面板精细化计算方法及改进黏弹性方法全面考虑动位移和永久变形对面板动应力的影响,细致模拟地震过程中面板破坏发展过程。以强震区狭窄河谷上240 m级特高面板坝为例,对比分析了文中提出的多轴强度方法与当前单轴强度方法判断面板破坏范围的差异,结果表明:正常蓄水期,坝肩两侧面板位于“抗压强度削减区”、河床面板均位于“抗压强度增强区”,其中河床底部面板强度增加尤为明显,两种方法判断的面板受拉破坏区基本一致,但受压破坏区存在较大差异;遭遇地震情况下,多轴强度方法判断的面板受拉破坏区略小,而两种方法受压破坏区的位置和大小均存在显著差异。鉴于单轴强度方法无法考虑面板应力分布对其强度的影响,建议采用多轴强度准则指导特高面板坝混凝土面板设计和施工。

巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用

巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力q以及不同Lode角θσ来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明:(1)在相同p、q及不同θσ的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θσ的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+超前单元支架+钻孔卸压的协同支护技术,取得了良好的支护效果。

基于Coulomb强度准则的重力坝岩石地基抗滑稳定系数的推演与教学设计

文章结合为本科学生开设的《岩石力学》课程中岩石地基抗滑稳定性分析的教学内容,以重力坝岩石地基抗滑稳定性分析为例,对基于Coulomb强度准则的重力坝岩石地基深层双斜滑移面、深层单斜滑移面和浅层水平滑移面的抗滑稳定系数计算方法进行了理论推演,依据稳定系数计算表达式探讨了提高重力坝岩石地基抗滑稳定系数的工程措施,给出了易于本科学生理解和掌握的岩石地基抗滑稳定性分析的教学组织和设计。通过将所设计的重力坝岩石地基抗滑稳定系数计算方法在本科生中的教学实践,可实现预期的教学目标。In combination with the instructional contents of anti-slip stability analysis for rock foundation in the course entitled Rock Mechanics provided for undergraduates, the method for calculating the anti-slip stability factor of deep double oblique sliding planes, single oblique sliding plane in rock foundation of gravity dam, as well as shallow horizontal sliding plane in rock foundation of gravity dam is derived based on Coulomb strength criterion by taking rock foundation of gravity dam as an example. The technical engineering measures to enhance the anti-slip stability factor for rock foundation of gravity dam are also discussed based on the formula to calculate the stability factor of gravity dam rock foundation. Both the instructional planning and organization for analyzing the anti-slip stability for rock foundation of gravity dam in the course, which are easy for undergraduate students to understand and master, are still proposed in this paper. Through practice on teaching the proposed method for calculating the anti-slip stability factor for rock foundation of gravity dam to undergraduate students, the expected teaching objectives can be achieved.

非线性M-C强度准则下预应力锚索加固边坡时效稳定性分析M-P法

拓展传统极限平衡方法在复杂条件下边坡稳定性分析中的适用性一直是岩土工程界的研究热点。众所周知,边坡岩土体剪切失效一般服从于非线性强度准则,而传统极限平衡方法仅适用于线性强度准则下边坡稳定性分析。此外,预应力锚索作为一种主动防护措施,可极大地即时提高边坡稳定性而被广泛应用于中、大型边坡工程加固。然而,在应力松弛、蠕变效应以及腐蚀环境影响下预应力锚索加固边坡稳定性时效特征往往被忽视。由此,基于Morgenstern-Price(M-P)法,嵌入非线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则,并融入应力松弛与蠕变效应下锚索预应力损失模型以及腐蚀环境下锚索性能劣化模型,从而,建立非线性强度准则下预应力锚索加固边坡安全系数时程表达式。进一步,为了解决非线性强度准则下隐式嵌套公式难以求解的问题,归零化条间法向力初始值,并应用迭代循环求解策略,在引入循环终止允许误差判别条件后,可实现边坡稳定性理论真实结果的逼近求解。经过后续算例对比分析,验证了所提方法的可行性和合理性,与此同时,还研究了不同预应力损失速率和不同锈蚀环境下预应力锚索加固边坡稳定性的时效变化规律。

基于形状改变能密度的岩石强度准则研究

分析砂岩在常规三轴压缩试验过程中弹性应变能密度、体积改变能密度和形状改变能密度的演化规律,根据峰值形状改变能密度与围压的线性变化关系建立形状改变能密度岩石强度准则。结果表明:(1)体积改变能密度与形状改变能密度,在峰前阶段逐渐增加,峰后急剧下降;(2)形状改变能密度强度准则参数物理意义明确,且可通过参数变换转化为经典的Hoek-Brown准则;(3)形状改变能密度强度准则计算结果与8种不同类型岩石的常规三轴压缩试验结果基本一致,验证了准则的精确性和适用性。

考虑中间主应力效应的修正Hoek-Brown真三轴强度准则

为改善Hoek-Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,通过岩石真三轴试验结果分析了岩石强度的演化规律,引入中间主应力系数,量化分析主应力系数对岩石真三轴强度的影响,考虑Hoek-Brown强度准则中的参数和岩石应力水平间的关联性,提出了基于拉格朗日插值方法的修正岩石真三轴Hoek-Brown强度准则,分析了其空间包络特征。最后,利用7种岩石的真三轴试验数据与其它3种真三轴强度准则进行最优拟合误差分析,探讨了修正强度准则的合理性。研究结果表明:岩石强度随着最小主应力的增加逐渐增大,随着中间主应力的增加则呈现先增大后减小的变化规律,表现出显著的区间效应;修正强度准则不仅能够继承Hoek-Brown强度准则在子午面上的非线性优点,且能够表征岩石强度在应力空间中的基本特性;线性和非线性插值形式的修正强度准则空间包络面分别为非等边的六棱锥面以及能够满足拉压子午面区间连续光滑要求的圆锥面;修正强度准则能够较好地预测岩石真三轴试验强度,较为合理地反映中间主应力对岩石强度的影响;相比于线性插值形式强度准则,二次插值形式强度准则能够提高岩石强度的预测精度1.2~2.0倍;相较于其他真三轴强度准则,修正强度准则对不同硬脆性岩石的真三轴试验结果均具有良好的强度预测精度,体现了修正强度准则的适用性和可靠性。

基于Hoek-Brown强度准则的地下洞室开挖可靠度分析

地下洞室可靠度分析在地下空间开发工程中具有重要意义。采用拉丁超立方抽样法对工程实测获得的结构面特征指标进行抽样,将样本数据代入地质强度指标GSI评价体系中获得GSI概率分布函数,然后基于Hoek-Brown经验强度准则计算获得围岩力学参数的概率分布函数,进而利用数值模拟获得地下洞室变形量的概率分布函数,并结合洞室开挖的最大允许位移将求解可靠度指标转化为求解超过最大允许位移的概率。以五岳抽水蓄能电站为例,计算了主厂房不同部位的位移超过最大允许位移的概率,对主厂房的稳定性进行了评价。评价结果与工程实际情况基本相符,说明本文提出的方法可有效用于地下工程的开挖可靠度分析.

冻土强度准则在冻土边坡稳定性计算中的应用

冻土是由冰胶结体、土颗粒、气体、未冻水组成的四相胶结体,其强度受温度影响较大,以至于冻土的强度准则比普通土的强度准则更为复杂。冻土强度准则在实际工程中有很广泛的应用,比如,可用于冻土边坡稳定性计算。由于冻土的复杂性,将未冻土的强度准则直接用于冻土边坡工程稳定性计算分析是不合理的。为研究冻土强度准则在冻土边坡稳定性判断中的应用,本研究首先在已有的冻土强度准则中选取Liao和Lai提出的代表性冻土强度准则,利用瑞典条分法和该强度准则推导了冻土土坡安全系数的解。其次,基于此强度准则推导的冻土土坡安全系数的解进行冻土边坡稳定性计算分析,并将计算结果与已有的冻土边坡分析数据作对比,验证该强度准则的适用性。计算结果表明:选用的强度准则计算出的安全系数与原冻土边坡安全系数比较接近,误差较小,该强度准则在冻土边坡稳定性计算方面有较高的精确性和适用性。最后,鉴于实际工程中非稳定状态冻土边坡较多,基于工程实用性,进一步总结给出了冻土边坡失稳防治措施。本研究可为寒冷地区冻土土质边坡的设计、建设、维护提供理论指导与参考。

岩石卸荷的Mogi-Coulomb强度准则适用性研究

大量工程实践表明:岩石在卸荷条件下的强度特性与加载条件下相比,存在本质上的不同。结合岩石卸荷的破坏特征和强度特性,建立了岩桥贯通力计算模型,并基于应力强度因子叠加减原理,推导了岩石卸荷条件下的岩桥贯通力计算公式,从而探究Mogi-Coulomb强度准则对于岩石卸荷强度的适用性。将岩桥贯通力作为表征岩石卸荷破坏的强度参数,并与Mogi-Coulomb强度准则的核心参数——八面体剪应力进行对比,发现二者的量值具有极高相似性,这一发现可以间接证明Mogi-Coulomb强度准则适用于岩石卸荷强度方面的相关研究。本文揭示了岩石卸荷破坏时其岩桥贯通与八面体剪应力之间存在的紧密联系,可为岩石卸荷破坏的研究提供借鉴与参考。

炭质板岩横观各向同性强度准则及参数辨识方法

为探究层理状岩石的横观各向同性力学特性,以炭质板岩为研究对象,通过室内试验和理论分析对其强度准则和参数辨识方法进行研究。首先,对水平与垂直层理岩样开展不同围压的常规单、三轴压缩试验,探讨不同应力状态炭质板岩的强度特性与破坏模式。其次,对比分析试验结果,建立适用于炭质板岩的横观各向同性弹塑性本构模型;基于Pariseau强度准则确定模型的屈服函数,用以描述炭质板岩不同方向的强度特性;基于相关联流动法则确定模型的塑性势函数,用以描述炭质板岩塑性变形阶段的流动方向。在各向同性假定下,该模型可退化为描述各向同性岩土材料的Drucker-Prager模型。最后,提出模型参数辨识方法,即通过常规三轴压缩试验和经验公式求解弹性参数;通过基于Duveau数值计算程序的最小二乘法常规三轴试验和直线型Mohr-Coulomb准则确定岩样的抗压、抗拉和剪切强度,再代入所推导公式求解塑性参数;结合试验结果验证了所提横观各向同性强度准则的合理性。结果表明:不同围压的水平岩样的抗压强度均高于垂直岩样,且抗压强度随着围压的增大基本呈线性增大;炭质板岩在压缩过程中多呈脆性破坏,水平层理岩样呈滑移-剪切破坏,垂直层理岩样呈张拉-剪切破坏。

基于强度折减法的M-C强度准则在边坡中的稳定性分析

岩体是一种非均质、各向异性的非连续性材料,其力学特性研究较为复杂。Mohr-Coulomb强度准则(以下简称M-C)是岩土工程当中使用较多,且应用经验较为丰富的强度准则,采用能量型的M-C强度准则开展岩体理论研究具有一定的研究意义。基于此,以弹性应变能广义M-C强度准则(简称为GM-C)为基础,建立能量型广义M-C岩体强度准则(简称为EGM-C强度准则),同时将EGM-C强度准则嵌入到FLAC 3D软件中并进行模拟计算,验证该准则的适用性。理论分析表明:当岩体完整性系数K v等于1时该准则蜕变为GM-C强度准则;当岩体完整性系数K v等于1、材料变形参数νmc等于0.5时该准则蜕变为M-C强度准则。EGM-C强度准则是对GM-C强度准则和M-C强度准则的继承与发展,是以材料变形参数νmc、岩体完整性系数K v为参数的强度准则集合,并非单一强度准则;EGM-C岩体强度准则能够完全利用已有的M-C强度准则的研究成果,并将其应用于实际工程中;两组岩体试验数据验证得出:EGM-C强度准则略高于L.Y.Zhang提出的广义三维H-B岩体强度准则的计算值;同时将EGM-C本构模型嵌入到FLAC 3D有限元软件中并成功调用,在有限元软件中建立一个坡高为30m、未设边坡支护的边坡模型,采用M-C本构模型与EGM-C本构模型作对比分析,结果表明:M-C本构模型与EGM-C本构模型的塑性变形区域大致相似,但EGM-C本构模型与M-C本构模型计算得出的位移分别为8.6318cm、4.6117cm,EGM-C本构模型计算出的结果更偏于安全,这可能与EGM-C本构模型考虑了岩体完整性系数和材料变形参数有关。

一种改进的真三轴Hoek–Brown强度准则

Hoek–Brown强度准则已经广泛应用于岩石与岩体力学分析、岩石边坡稳定性分析、岩石隧道设计等领域,但常规Hoek–Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,应用上不能反映岩石的真三轴力学性能,因此有必要对Hoek–Brown强度准则进行改进。通过分析岩石的真三轴试验结果,明确了岩石中间主应力对岩石强度的影响存在增强和抑制两种特征,当中间主应力大于临界值σ*2时,岩石强度被增强;当中间主应力小于临界值σ*2时,岩石强度被减弱。基于中间主应力的临界应力状态,引入中间主应力系数β,将一种2维Hoek–Brown强度准则改进为真三轴Hoek–Brown强度准则。采用非线性拟合方法确定了模型中的参数,通过对比8种岩石类型的真三轴试验数据,对改进后强度准则的精确性和普适性进行验证,并与其他3种真三轴强度准则做对比。结果表明:改进的真三轴强度准则的最佳参数m取值均能落在Hoek和Brown建议的取值区间,能够继承Hoek–Brown强度准则的优点。改进后的强度准则对8种岩石类型的均方根差(RMSE)均低于另外3种准则,能够准确预测岩石强度,且适用于大多数岩石类型,较好地体现了中间主应力对岩石强度的影响;Pan–Hudson准则总是在低σ2条件下高估岩石强度值,在高σ2条件下低估岩石强度值;Zhang–Zhu和Priest准则对岩石类型具有较强依赖性,描述精度较差。因此,改进的真三轴Hoek–Brown强度准则具有重要的应用推广价值。

混凝土动态双轴压缩强度准则细观研究

由于物理试验设备和条件限制,目前对混凝土动态双轴压缩强度准则的研究仅停留在低应变率范围(10^(−5) s^(−1)~10^(−2) s^(−1))。针对这些强度准则在更高应变率范围内是否适用,该研究建立了细观随机骨料模型,对边长100 mm的混凝土立方体试块开展了动态双轴压缩细观模拟分析。研究了应变率和侧应力比对混凝土动态双轴压缩破坏模式及压缩强度的影响,建立了适用于更高应变率的动态强度准则。研究结论:相同侧应力比下,随应变率增大,混凝土内部损伤区域增多,动态压缩强度增大;相同应变率下,随侧应力增大,混凝土破坏模式由柱状压裂变为片状劈裂,动态压缩强度先增大后减小。现有的混凝土动态双轴压缩强度准则在应变率为10^(−5) s^(−1)~1 s^(−1)时很难适用,而该研究建议的强度准则适用于更高的应变率范围,并且得到了不同物理试验的初步验证。

颗粒形状对粒状材料破碎演化规律及强度准则影响

为探讨颗粒形状对粒状材料的颗粒破碎演化规律及强度特征的影响,提出了一个新的粒状材料颗粒形状量化参数,设计了一种考虑三维颗粒形状的人工试样制备方法,随即进行了常规三轴压缩试验,并分析了颗粒破碎和强度特征,最终建立了一个二元介质强度准则,具体的研究成果为:建立颗粒形状量化参数——球形模量G_(M),在此基础上制备了5种不同形状的可破碎粒状材料三轴试样,并发现球形模量影响着粒状材料的三轴压缩强度特征;通过筛分确定试样的颗粒破碎情况,对试样的颗粒破碎演化规律和临界状态进行探讨,发现颗粒形状通过影响颗粒破碎规律而控制着宏观强度的非线性演化特征;以二元介质理论为基础,建立了考虑颗粒形状的可破碎粒状材料强度准则,并通过试验对其适用性进行了验证。

基于花岗岩三轴试验的广义M-C强度准则的验证与讨论

为验证广义M-C强度准则对岩土材料强度准则适用性和精确性,用花岗岩真三轴实验数据进行计算对比验证。实验数据对比发现:广义M-C强度准则平均误差△χi=0.05,M-C强度准则计算平均误差△χi=0.17,广义M-C强度准则平均误差更低。广义M-C强度准则均方根误差η=39,M-C强度准则均方根误差η=189,广义M-C强度准则均方根误差更低。综上所述,广义M-C强度准则对岩土材料的适用性的精度性优于M-C强度准则,可用于岩土工程强度计算。

基于三轴试验的泥岩力学特性及强度准则研究

研究目的:泥岩在我国有着广泛的分布,其力学性质与其自身含水率有着重要的关系,在各类工程施工中,经常会遇到因泥岩遇水后强度显著降低而引发结构失稳等工程现象。为明确泥岩遇水后强度折减与含水率关系,本文开展不同含水率(0、10.1%、12.5%和14.1%)和不同围压(0 MPa、2 MPa、5 MPa和10 MPa)条件下泥岩三轴压缩试验和间接拉伸试验,以探究适用于软化泥岩的强度准则。研究结论:(1)围压及含水率增大,该泥岩由脆性破坏过渡为延性破坏,其力学性质逐渐接近于正常固结黏土或松砂的特点;围压越高,其强度和弹性模量越大,含水率增高,其强度和弹性模量显著减小,应变增大;(2)泥岩含水率越高,围压对强度的影响作用就越大;低围压环境下(0~2 MPa),泥岩强度随含水率升高而降低的特征较为明显;(3)随着含水率的升高,泥岩抗拉强度和抗剪强度均显著降低,其中抗剪强度中内摩擦角比黏聚力对含水率的变化更为敏感;(4)Rocker强度准则在6种常用强度准则中可更准确地预测不同含水率下泥岩强度,依照该强度准则,提出了考虑含水率效应的软化泥岩非线性强度准则并验证其具有良好的适用性;(5)本研究成果可为各类涉及泥岩的工程提供强度理论依据和工程参考。

广义M-C 强度准则在FLAC^(3D) 中的二次开发

广义M-C强度准则在考虑到中间主应力的影响,基于热力学第一定律被提出。为验证该强度准则可行性,以FLAC^(3D)为模拟软件,visual studio 2010作为编译器,自定义本构模型广义M-C强度准则。在FLAC^(3D)中以一个简单模拟三轴试验对比分析广义M-C强度准则和M-C强度准则计算结果。FLAC^(3D)模拟中广义M-C强度准则计算结果略大于M-C强度准则计算结果,符合M-C强度和广义M-C强度理论公式计算结果。广义M-C强度准则成功嵌入FLAC^(3D)中,且广义M-C强度准则可应用于岩土工程相关研究和计算。

水-力耦合作用下砂岩力学特性与能量演化及强度准则适用性分析

为探索岩石的水−力耦合特性。采用MTS815岩石力学试验系统对饱水砂岩进行水−力耦合下的三轴压缩试验,试验围压为10、20和30 MPa共3个系列,每个系列围压下,孔隙水压设置为7个级别,其大小分别为围压的0、10%、20%、40%、60%、80%和90%。然后分析了围压和孔隙水压对砂岩弹性模量和泊松比等力学参数影响;同时,从能量曲线,特征能量参数以及能量变化率3个方面探讨了水−力耦合作用下砂岩能量演化特性。最后分析了岩石峰值强度和残余强度的变化规律,并基于有效应力,讨论了水−力耦合下Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则的适用性。研究结果表明:①砂岩的峰值强度、残余强度和弹性模量均随着围压的增大而增大,随着孔隙水压的增大而减小;泊松比随着围压的增大而减小,随着孔隙水压的增加而增大。②水−力耦合作用下,试件以剪切破坏为主,且随着孔隙水压的增大,水力致裂显著,其破坏程度愈发剧烈。③结合试验所用砂岩和已公开发表文献的试验数据,以孔围比为特征参数,获得了水−力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度的归一化强度衰减方程,且岩石残余强度的强度衰减系数大于峰值强度的衰减系数。④砂岩的能量演化曲线趋势一致,其储能极限、峰值耗散能密度、残余弹性能密度与围压呈正相关,与孔隙水压呈负相关。⑤水−力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度演变规律均符合Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则,岩石峰值强度和残余强度对应的有效内摩擦角差别较小,而峰值强度时对应的有效黏聚力和Hoek-Brown准则参数远大于残余强度对应的有效黏聚力和Hoek-Brown准则参数。

考虑围压效应的冻土三阶段强度准则

冻土抗剪强度的围压效应是寒区工程建设与冻结法施工工程承载能力分析的基础与前提。随着围压的增大,现有冻土抗剪强度试验结果既有先增大后减小的两阶段试验规律,也有先增大后减小再增大的三阶段试验规律。为描述冻土抗剪强度的特殊规律,该文对土与冰的特性分别进行了分析,认为冻土的抗剪强度所呈现的多阶段发展规律,不仅因为其继承了未冻土的强度特征,还由于冻土中孔隙冰的存在对抗剪强度有特殊的贡献。基于此,该文将冻土抗剪强度分解为反映黏聚摩擦特性的基准强度与由于存在孔隙冰而表现出的特殊贡献强度。通过利用幂函数强度表达式作为冻土的基准强度,并进一步构建描述冻土强化弱化规律的贡献强度,从而发展得出考虑冻土复杂围压效应的三阶段强度准则。对不同类型冻土的两阶段与三阶段试验结果进行的预测表明,所建立的冻土三阶段强度准则能够合理地描述冻土的抗剪强度变化规律。

三种Mohr强度准则的对比分析

简述了Mohr-Coulomb强度准则、抛物线型Mohr强度准则和双曲线型Mohr强度准则,并采用3种高应力下岩石的真三轴试验结果对这3种强度准则进行对比分析。研究结果表明:在高应力条件下,硬岩的试验值与MohrCoulomb强度准则和双曲线型Mohr强度准则的预测值均比较接近。Mohr-Coulomb强度准则是线性强度准则,双曲线型Mohr-Coulomb强度准则是非线性强度准则,因此,可认为双曲线型Mohr强度准则更适合用于描述高应力条件下岩石的强度变形特征。