基于弹性应变能的Mohr-Coulomb强度准则讨论

从弹性应变能释放是材料屈服的基本原理来看,MohrCoulomb(M-C)强度准则认为屈服时材料的泊松比恒为0.5,这可能违反能量守恒定律.研究了弹性应变能、应力偏量第二不变量、应力张量第二不变量及泊松比之间的关系,提出广义应力偏量第二不变量概念;从弹性应变能角度对M-C强度准则的物理意义进行分析,提出广义M-C强度准则;利用强度准则对岩石的破坏强度进行了计算.结果表明,由于考虑了中间主应力与泊松比的影响,广义M-C强度准则的计算精度更高,并分析了产生这种结果的内在机理.广义M-C强度准则突破了材料破坏时的泊松比恒为0.5的假设,这对于定量描述材料的屈服与破坏特性具有重要的意义.

基于改进的Mohr-Coulomb强度准则下岩石锚杆极限抗拔承载力计算

岩石锚杆基础作为风电机组基础的一种特殊基础型式,可以充分发挥原状岩体的力学性能,具有良好的抗拔性能。已有研究表明,小而非零拉伸截断改进的Mohr-Coulomb(简称M-C)强度准则更适用于描述岩体的破坏特性。基于小而非零拉伸截断改进的M-C强度准则,建立破坏面上单位面积的能量耗损率表达式。从塑性力学极限分析上限定理出发,构建岩楔体平移破坏机构。根据外部作用荷载和岩楔体自重所做的外功率与沿岩楔体圆破坏锥面的能量耗损率相等的条件,建立虚功率方程,并由此得到了岩石锚杆极限抗拔承载力的计算公式。经原型试验验证,推导公式所得计算值与实测值一致性较好,具有一定的可靠性,且能满足工程实际应用要求。

基于非线性Mohr-Coulomb强度准则下锚索极限抗拔力研究

根据预应力锚索破裂面的形状参数方程、非线性Mohr-Coulomb强度准则和极限平衡原理,推导出一个能够考虑锚索破裂面形状、岩土体种类、抗拉强度以及围岩压力和灌浆压力等因素的预应力锚索极限抗拔承载力计算公式。理论计算结果和算例分析表明了该理论及其求解方法的有效性和可靠性。

基于非线性Mohr-Coulomb强度准则下的扩孔问题解析

将圆孔周围的围岩分为弹性和塑性应力区,考虑土体受力后的剪胀特性,根据Mohr-Coulomb非线性强度准则、应力平衡条件、大小变形理论和非关联流动准则,推导出排水情况下土体发生大、小变形时扩孔问题的塑性区应力、应变和位移场解析,并给出大、小变形情况下塑性区半径和极限扩孔压力的非线性解答。与现有理论的计算结果和现场实测结果进行对比结果表明,上述理论具有一定的有效性。通过分析可知,大变形时的塑性应变比小变形时的大;随着m值的增大,扩孔压力逐渐增大且与rp/au为非线性关系;大变形时的扩孔压力要比Vesic等人的理论值偏小。

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明,围岩-支护结构体系协同变形方程能很好地反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。支护强度为0.75 MPa时,理论计算拱顶沉降为18.9 mm,数值模拟拱顶沉降为21.6 mm;支护强度为1.5 MPa时,理论计算拱顶沉降为11.2 mm,数值模拟拱顶沉降为11.1 mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和交叉中隔壁法(cross diaphragm,CRD)施工时,建议支护强度设计为0.75~1.5 MPa,支护刚度设计为59.8~375.0 kN/mm。

Mohr-Coulomb与Hoek-Brown强度准则在浅埋偏压隧道数值模拟中的对比

在隧道建设中,因地形限制,常常遇到浅埋偏压等复杂情况,若再加上隧道围岩破碎、围岩条件较差,则会使隧道的施工设计难度大大增加。在对该类隧道进行数值模拟时,强度准则的选择对模拟结果的影响至关重要。Mohr-Coulomb(M-C)强度准则和Hoek-Brown(H-B)强度准则是隧道数值模拟研究中较为常用的两种强度准则。为了对这两种强度准则进行数值模拟对比研究,以贵阳市黔春大道七冲村二号隧道为工程背景,分别基于M-C强度准则和H-B强度准则,运用FLAC3D5.0建立三维模型,结合现场监测数据,从位移、应力两方面对模拟结果进行对比分析。结果表明:由于H-B强度准则将围岩视为非连续介质,反映了岩体非线性破坏的特点,考虑了岩体中的结构面等因素对强度的影响。因此,相比基于M-C强度准则的模拟结果,基于H-B强度准则的模拟结果的位移、应力值更大,且受到偏压的影响也更大,位移矢量及主应力迹线的偏转角度更大;但是在低应力状态下,M-C强度准则的适用性仍较好,因此在浅埋段中,基于两种强度准则的模拟结果在变形的发展趋势上以及应力重分布的情况都大致吻合;与现场监测数据相对比,两种模拟结果的水平位移变化与监测结果的趋势大致相同,但基于H-B强度准则的模拟结果相关性更好。

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。

修正Hoek-Brown准则的等效Mohr-Coulomb强度参数确定方法研究

合理确定岩石材料强度参数是工程设计的关键问题之一。为有效描述岩石的强度特性,众多学者提出了大量三维强度准则,其中基于两参数偏函数的修正Hoek-Brown(H-B)准则取得了良好效果,能够有效地反映岩石的静水压力效应、Lode角效应及中间主应力效应等强度特性。确定修正H-B准则的等效Mohr-Coulomb(M-C)参数有利于提高其在工程应用中的便利性,因此提出一种基于I1-√J2平面计算三维强度准则瞬时等效M-C参数的方法,应用于修正H-B准则,并对计算方法的合理性及瞬时等效M-C参数与岩石强度特性的关系进行讨论。结果表明:瞬时等效M-C参数可有效表征非线性静水压力效应,且合理反映Lode角效应和中间主应力效应的区间性特点;瞬时等效M-C参数可有效表征静水压力对Lode角效应的影响和最小主应力对中间主应力效应的影响,静水压力增大时,Lode角效应更为明显,且当最小主应力增大时,瞬时等效内聚力反映出更为显著的中间主应力效应;该方法能够合理地计算瞬时等效M-C参数,修正H-B准则具有准确预测岩石强度的能力。上述成果对修正H-B准则在实际工程中的应用具有较强的指导意义。

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Sheorey岩体强度准则对等效Mohr-Coulomb强度参数的推导

引入基于RMR岩体分级指标的Sheorey岩体强度准则,根据σ1-σ3平面上用线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则对非线性准则进行拟合的原则,利用最小二乘法推导出相应的等效M-C强度参数,并给出等效强度参数的通用表达式,方便利用Sheorey准则评价岩体的强度及稳定性。之后,通过一个算例比较了Sheorey准则与HoekBrown准则的M-C等效强度参数。分析结果表明,两准则的等效强度参数具有良好的吻合度。

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Mohr-Coulomb抗剪强度准则的岩体可靠度分析

提出了岩体Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则的可靠度计算方法，同时还讨论了ｃ、等强度参数的变异系数和参数概型对准则可靠度的敏感性，本文通过分析指出强度参数的变异性是准则可靠度的决定性因素之一，因此对岩体工程的详细勘察和试验以及对参数的变异性进行统计分析，对于工程设计来说是具有较大意义的。

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.

岩石强度屈服准则对隧洞围岩稳定分析结果影响

岩石强度屈服准则是判断隧洞围岩是否进入塑性损伤的重要依据,而不同的岩石强度准则下围岩稳定的计算结果存在一定的差异性。因此,研究分析不同岩石强度准则对隧洞开挖后的围岩稳定计算结果的影响程度是很有必要的。通过分析常用的几种强度准则之间的理论性差异,并以锦屏二级深埋绿泥石片岩段隧洞为研究对象,研究不同强度准则对隧洞开挖围岩变形、塑性区的影响,并且把变形计算值与实测值进行对比。结果表明:5种准则计算得出的围岩变形和塑性区差异性比较明显,M-C准则和H-B准则计算得出的围岩变形和塑性区较大,并且比较接近实测值,而Tresca准则、Mises准则和D-P准则得出的结果较小;在静水压力下,M-C准则和H-B准则计算得出的围岩变形值和塑性区深度与芬纳公式计算值和实测变形值较为接近,但与其他3个强度准则相差较大。M-C准则和H-B准则的计算结果能够较好地符合工程实际,而Tresca准则、Mises准则和D-P准则均不适用于隧洞围岩稳定计算。

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。

基于Mohr-Coulomb准则的铸铁抗压强度分析

从线性Mohr Coulomb准则出发 ,导出复杂应力状态下考虑内摩擦影响时灰口铸铁的抗压强度条件 ,得到更符合工程实际的强度计算公式 ;指出现行铸铁抗压强度条件的不足 ,讨论导出公式的适用范围。分析铸铁压缩破坏时滑移面的位置及许用剪应力和许用压应力间的关系 。

基于Mohr-Coulomb准则的缓倾斜层状矿床矿柱强度估算及倾角效应

矿柱强度是评估矿柱稳定性的重要因素之一,矿柱的稳定是地下矿床安全开采的基础。以弹性力学理论为基础,分析了缓倾斜层状矿床中矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的广义莫尔圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了矿柱强度解析式,分析了莫尔圆圆心所在直线斜率tan_β随矿体倾角的变化特性,并结合数值模拟,研究矿体倾角效应对矿柱强度的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tan_β是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,当tan_β取得最大值时,矿柱强度最小;当矿柱宽高比w_p/h_p保持一定且矿体倾角在5°～45°区间时,随着矿体倾角增大,矿柱强度逐渐减小。研究可为缓倾斜层状矿床矿柱强度估算提供参考。

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。

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。

修正Mohr-Coulomb准则下倾斜基岩中桩端极限承载力研究

为计算倾斜岩面浅嵌岩桩极限承载力,本文基于修正Mohr-Coulomb强度准则提出了倾斜岩面浅嵌岩桩桩端承载力计算方法。采用特征线法构建了桩端面以下塑性发展区,考虑岩面倾斜角几何关系,推导了倾斜岩面位移滑移场;进一步通过黎曼不变量控制方程,求解了倾斜岩面浅嵌岩桩基极限承载力公式。分析了倾斜岩面坡角、岩体完整性参数以及岩体内摩擦角等因素对桩端承载力的影响。结果表明:浅嵌岩桩基嵌入深度达到极限嵌入比时,桩基达到极限承载力;当嵌入比大于极限嵌入比时,桩端承载力系数不受倾斜坡角和嵌入比影响,此时可按平地桩基进行分析计算;极限嵌入比随倾斜坡角的增大呈幂函数增大,且在岩石完整性较差时,极限嵌入比随岩体内摩擦角的增大而显著增大;当嵌入比小于极限嵌入比时,桩端承载力系数随倾斜坡角的增大近似线性减小,需考虑岩面倾角对桩基承载力的影响。