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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

脆性各向同性材料的强度准则数学形式研究

针对质量比为水泥∶河砂∶水∶减水剂=1∶0.5∶0.4∶0.002的脆性各向同性材料,探究了胡克-布朗(H-B)准则、Power Curve准则与单参数Bieniawski准则等3类岩石经典非线性强度准则与Singh抛物线型强度准则的适用性,并对Singh抛物线型强度准则数学形式进行了修正。研究结果表明,单参数Bienianski准则能较好地反映脆性各向同性材料非线性强度特征,数学形式拟合值与试验值的残差平方和(RSS)最小;H-B准则与Power Curve准则均能反映抗压强度指标的非线性特征,但两者均过高估计抗拉强度值;将Singh抛物线型强度准则数学形式等效为因变量(σ_(1)-σ_(3))与自变量σ_(3)的二次多项式,试验数据拟合效果良好,并通过引入参数n表征试样进入临界状态时的围压σ_(crt)=nσ_(c),得到了修正的Singh抛物线型强度准则数学形式。

岩石强度准则的主应力显式表达式几何推导及应用

主应力是岩石强度准则的基本量,然而,给定应力张量求解主应力的三次特征方程通常难以求解。本文通过几何关系将主应力的三次代数方程转化为三元一次方程组的求解,最终建立了三个主应力关于应力张量不变量的显式表达式,并着重推演了其在静水压力效应的刻画、三维强度准则的推导和空间屈服面的绘制中的应用。可为岩石真三轴试验数据可视化提供参考,同时丰富了弹塑性力学教学内容。

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。

高围压条件下含瓦斯水合物煤体强度准则研究

为了探讨Mohr-Coulomb(M-C)准则、Hoek-Brown(H-B)准则以及广义Hoek-Brown(GH-B)准则3种强度准则对高围压条件下含瓦斯水合物煤体的适用性;基于不同饱和度(50%、80%)和不同围压(12、16、20 MPa)条件下,进行常规三轴加载试验,对试验获得的应力-应变曲线进行分析,并利用3种强度准则对最大主应力和围压进行拟合;同时引用均方根偏差RMSE、相关系数等评价指标,探讨不同的强度准则对于含瓦斯水合物煤体的适用性。研究表明:在高围压条件下,应力-应变曲线呈应变硬化型,围压和饱和度越高,峰值强度越高,围压对峰值强度的影响较为显著;M-C准则和GH-B准则对于试验数据拟合的相关系数较高,拟合效果较好,RMSE值较低,预测值与试验值的线性拟合直线与1∶1梯度线非常接近,说明2种准则对含瓦斯水合物煤体的适用性较好;H-B准则的相关系数低于M-C准则和GH-B准则,RMSE值较大,对含瓦斯水合物煤体的适用性略低于M-C准则和GH-B准则。

胶结碎石土的折线型强度准则研究

针对胶结碎石土在低正应力和高正应力下的表现的差异性问题,基于摩尔-库伦强度准则,根据胶结碎石土在屈服应力前后的摩尔-库伦强度线,提出了胶结碎石土的折线型强度准则,推导了强度准则参数与单轴抗压强度和抗拉强度的关系,通过单轴压缩试验和直接拉伸试验计算了强度准则参数,并与三轴压缩试验直接获取的强度准则参数结果进行比较。结果表明,计算值与试验值误差在合理范围内,折线型强度准则对胶结碎石土具有一定的适用性。

五种常规三轴强度准则的比较

基于6种岩石的试验数据对5种常规三轴强度准则进行拟合。以拟合偏差绝对值之和最小为目标确定强度准则中待定参数,进而比较拟合偏差以及单轴抗压强度σC和抗拉强度T的预测值与试验值差异。研究发现:含有3个参数的广义Hoek-Brown准则、指数强度准则和ROCKER准则预测的单轴抗压强度与试验值基本一致;ROCKER准则预测的单轴抗拉强度与试验值较接近;广义Hoek-Brown准则具有较小的拟合偏差,抗拉强度对强度准则的拟合结果没有明显影响。

玄武岩纤维增强珊瑚骨料混凝土的孔结构相关三轴力学响应及强度准则

本文研究了玄武岩纤维增强珊瑚骨料混凝土(BFCAC)的三轴力学性能,分析了玄武岩纤维(BF)和孔结构对BFCAC三轴力学性能的影响,建立了BFCAC的强度准则。结果表明,BFCAC的峰值偏应力和弹性模量随着围压非线性增加,两者的围压效应随BF掺量的增加而增大。围压和BF掺量的增加均提高了BFCAC的临界应变和延性变形,但较大围压作用弱化了BF对珊瑚骨料混凝土延性变形的影响。BFCAC的泊松比随BF掺量和围压增大分别增大和减小。BF和围压提升了BFCAC的体积收缩变形,降低了其体积膨胀变形。围压一方面使BFCAC由劈裂破坏逐渐转变为剪切破坏和挤压塑性流动破坏,另一方面,围压也提高了BF与珊瑚骨料混凝土基体间的粘结性能。BFCAC破坏时,裂缝均贯穿珊瑚骨料,且在较高围压时,珊瑚骨料发生孔隙坍塌。BFCAC的小孔不具有分形特征,中孔和大孔的分形特征较为明显,且其孔结构分形维数随BF掺量的增加而增大。孔结构分形维数与三轴力学性能的关系表明,BFCAC的三轴力学性能不仅受BF本身的影响,也受BF对CAC孔结构的影响。建立了BFCAC的改进非线性M-C强度准则,不仅能够准确计算BFCAC的三轴强度变化规律,而且能够有效体现BF和孔结构特征对BFCAC三轴强度的影响。

基于Lade-Duncan强度准则的软岩损伤本构模型研究

为研究损伤阈值对存在天然缺陷软岩损伤力学特性的影响,基于损伤阈值理论,结合修正的Lade-Duncan强度准则与弹性胡克定律,推导出软岩损伤阈值表达式,利用Weibull分布理论及Lemaitre应变等价理论构建软岩统计损伤本构模型,同时结合三轴压缩试验对其开展验证。研究结果表明:基于修正的Lade-Duncan强度准则与弹性胡克定律求解出的软岩损伤阈值过于保守,同时天然缺陷对岩石的轴向应变影响较大;以岩石中天然缺陷为修正变量,对损伤阈值进行修正后,软岩的损伤变化规律、破坏过程描述及应力-应变演化更贴合实际,验证了本研究软岩损伤本构模型的科学性、合理性。

几种岩石强度准则的对比分析

采用常规三轴试验数据,以最小平均拟合差为评价指标定量地对比分析5种强度准则描述岩石非线性强度特征的适用性。结果表明:直线型Mohr-Coulomb准则不能描述岩石强度的非线性特征;抛物线型Mohr-Coulomb虽能描述岩石强度的非线性特征,但拟合误差较大,计算所得强度参数与事实不符,不宜使用;对于中低围压(σ3<σc)下岩石强度的非线性特征,单参数Bieniawski准则拟合精度与Hoek-Brown准则相当或稍好,拟合精度接近于指数强度准则,均优于双参数Bieniawski准则;在高围压下岩石强度非线性特征较为显著,应用单参数Bieniawski准则或Hoek-Brown准则描述误差较大,三参数Bieniawski准则和指数强度准则拟合误差较小,可用于评价深部或特深部高应力状态下岩石的强度特征。