岩石指数型强度准则在主应力空间的特征

指数型强度准则利用显式函数表示最小主应力和中间主应力对强度的影响,强度准则参数具有明确的力学含义;常规三轴压缩强度表明,随着正应力增大,剪切强度趋于常数,而破裂角趋于45°;但Mohr应力圆与外包络线在切点附近差异较小,且岩石并非均匀各向同性材料,实际破裂角与理论破裂不会完全一致。真三轴试验数据的离散性较大,强度准则参数对拟合偏差的影响并不显著,而以最小拟合偏差确定的参数未必体现岩石的真实力学性质。在研究强度准则在主应力空间内的力学特征之后,建议依据应力趋于无限时中间主应力与最小主应力对强度的影响系数在σ2=σ3处相等来确定强度准则参数,由此得到的拟合误差并未显著增大。

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。

非线性Mohr-Coulomb准则适用范围及其改进研究

SINGH M为克服(Mohr-Coulomb M-C)准则只能线性表征岩石强度随围压变化这一局限性,在M-C准则的基础上添加一个修正项对其进行改进,提出非线性M-C准则。该准则认为,岩石在围压达到其单轴抗压强度时岩石就进入临界状态,此观点与部分岩石的试验结果有较大的出入,使得该准则的适用范围受到影响。为拓宽非线性M-C准则的适用范围,通过对其修正项的进一步改进,提出M-C准则修正一般表达式。应用11种岩石三轴试验数据对M-C准则修正一般表达式、非线性M-C准则和目前岩石力学界认为较好的双曲线型准则的精度进行比较,结果显示,M-C准则修正一般表达式对岩石三轴强度的拟合精度高于其他两种准则,且由岩石三轴试验强度的一致性更好。证明M-C准则修正一般表达式优于非线性M-C准则,且适用范围更广。

岩石强度准则的数学形式和参数确定的研究

基于6种岩石的试验数据研究6种常规三轴强度准则。利用偏差平方和最小即最小二乘法确定强度准则中的待定系数,误差较大的个别数据使拟合曲线整体偏离多数正常数据;将强度准则变化后线性回归的结果可能完全失真;建议以拟合偏差的绝对值之和最小为目标直接搜索强度准则中的待定参数。剪应力–正应力的Mohr强度准则所陈述的力学含义并非真实,且不易确定其中的待定参数,建议使用显式的主应力强度准则。含有单一参数的抛物线准则可以描述多种岩石的强度特征,优于含有2个待定参数的Hoek-Brown和Coulomb准则;含有3个参数的指数强度准则具有较小的平均拟合偏差,且可以凸显异常数据点,优于二次多项式准则与广义Hoek-Brown准则。