Determination of rock resistant coefficient based on Mohr-Coulomb criterion for underwater tunnel

According to the load-structure method, the wall rock with lining can bear the load caused by the surrounding rock, and the rock resistant coefficient (RRC) is a key parameter for evaluating the capacity of this wall rock. Based on the Mohr-Coulomb yield criterion, this paper develops a formula for calculating the RRC, which has been applied to the real engi-neering project, such as Xiamen Xiang’an East Passage Underwater Tunnel Project. The fact shows that this formula is helpful for designers to determine the RRC value.

基于三剪能量屈服准则的岩石弹塑性耦合模型

为建立能够准确描述岩石变形过程中能量演化规律的力学模型,提出利用三剪能量屈服准则和弹性剪应变能获取岩石黏聚力与内摩擦角,以及基于三剪能量塑性势函数获取剪胀角的方法,依据所提方法和岩石循环加卸载试验数据,得到了各级围压下不同塑性累积阶段岩石的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及剪胀角等参数,发现随着塑性变形的增大,弹性模量呈负指数关系减小,黏聚力峰前线性增大而峰后呈负指数减小,内摩擦角满足比例参数为1、形状参数为1.5的Weibull函数,剪胀角线性减小;随着围压的增大,弹性模量和黏聚力均呈线性关系增大而剪胀角呈线性减小。建立岩石三剪能量弹塑性耦合力学模型,实现了模型在有限差分软件中的二次开发并编写了能量演化监测程序。模拟岩石室内试验,结果表明所建模型能较准确地描述岩石后继屈服过程中的硬化软化、剪胀、围压效应以及能量演化等力学行为。研究成果可为从能量角度研究岩体失稳提供理论支撑和现实手段。

岩土材料能量屈服准则研究

比较岩土类材料与金属的材料特性的差异及由此导致的力学性质差异认为,岩土类材料属于多相体的摩擦型材料,具有内摩擦性质。分析两类材料的力学单元,认为摩擦体力学单元中存在摩擦力。从能量角度对岩土材料的屈服进行研究,分别将Tresca准则和Mohr-Coulomb准则进行推广,推导出只考虑单一剪切面的两类材料单剪能量屈服准则,证明Tresca准则既是金属材料的单剪应力屈服准则,也是金属材料的单剪能量屈服准则,而Mohr-Coulomb准则既是岩土材料的单剪应力屈服准则,也是岩土材料的单剪能量屈服准则。对考虑3个剪切面的能量屈服准则进行探讨,建立适用于岩土类材料的三剪能量屈服准则及其相应的Drucker-Prager准则。结合岩石真三轴试验结果,分别采用Mohr-Coulomb准则及三剪能量准则进行验证。结果表明,三剪能量准则比Mohr-Coulomb准则误差小,更接近试验结果,证明能量准则是可行的。最后利用一个简单的算例进行验证,计算结果表明,只考虑单剪切面的Mohr-Coulomb准则比考虑三剪切面的能量准则偏于保守。

岩石统一能量屈服准则

不同于金属材料,岩石材料由于具有内摩擦特性而表现出明显的Lode角效应等特点,其屈服过程不仅与广义剪应力有关,还受静水压力的影响。为建立适用范围更广、更符合岩石屈服机制的屈服准则,开展如下主要工作:综合考虑岩石材料屈服时的剪切滑移和法向压密机制,将与屈服相关的能量划分为3个复合滑动面的剪切应变能之和与体积应变能,并给出相应的计算公式;几种不同性质的岩石试验结果表明,岩石屈服时的2种能量近似符合线性关系,基于此,建立岩石统一能量屈服准则,总体上它可较好地描述岩石材料的屈服特性,如子午面上的曲线形态、Lode角效应等;通过对常用的岩石屈服准则进行对比分析,指出统一能量屈服准则是多种常用岩石屈服准则的一般形式;分别采用统一能量屈服准则、三剪能量屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则、Drucker-Prager屈服准则、双剪强度理论、Hoek-Brown准则和Murrell准则对3种不同性质岩石的屈服强度进行计算,结果表明统一能量屈服准则的计算结果比较精确(尤其是在高围压和高静水压力条件下),并且分析统一能量屈服准则产生上述结果的本质机制,探讨岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设近似成立的条件。所建立的岩石统一能量屈服准则突破了岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设,通过分析体积应变能对岩石屈服的影响规律,在屈服准则中合理地考虑体积应变能的影响因素,这对于准确地定量分析岩石材料的屈服特性具有重要意义。

M-C与D-P屈服准则计算参数的能量等效方法及误差分析

基于应变比能的概念,在偏平面内建立了分别进入Mohr-Coulomb(M-C)和Drucker-Prager(D-P)屈服面时所需形状改变比能的差值公式,获得M-C材料参数向D-P计算参数等效的统一性方案。可为各种参数匹配方法提供统一的计算公式、误差估计和能量解释。在此基础上讨论各种参数匹配方法的差异仅在于能量误差控制条件不同,且偏平面内能量误差零点可用Lode角或应力路径表示,此外,还讨论能量误差零点时对应Lode角的多值性及系列D-P准则等价性的条件。

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析

常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用,难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的变形局部化剪切带的形成过程,因而,不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路,基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料弹塑性损伤模型,研究均质材料在外部环境作用下由于损伤和塑性的耦合导致的局部化剪切带的形成过程。对基体材料服从 Drucker-Prager 准则的球形孔洞体胞单元提出了一个塑性损伤屈服面,为了反映岩土材料在拉应力和压应力作用下不同的孔洞形成机理,分别采用了球形拉应力和塑性应变的成核机制来建立孔隙率的演化方程,根据塑性损伤屈服面和孔隙率的演化方程,导出了关联流动法则下的岩土材料塑性损伤本构方程。将笔者提出的岩土材料弹塑性损伤模型,通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件MRAC中。为了研究塑性和损伤的耦合作用,分别采用Gurson弹塑性损伤模型和Mises弹塑性模型,对Tvergaard关于自由表面有周期性分布微小形状缺陷的半无限大板在平面应变拉伸作用下剪切带的形成进行了数值模拟,计算结果表明弹塑性损伤本构模型在模拟变形局部化方面具有明显的优势。采用作者提出的岩土材料弹塑性损伤模型,对平面应力条件下有一个缺陷单元的均质岩土材料单轴受压试?

紫坪铺水利枢纽工程左岸坝前堆积体变形破坏机制研究

为准确把握紫坪铺水利枢纽工程左岸坝前堆积体在水库运行期间的稳定性动态,进行了工程地质条件和堆积体特征调研,结合堆积体的演化规律分析判断其当前处于缓速蠕变演化阶段,在水库运行条件下其变形破坏主控因素为库水作用效应和地震动力效应,并分析主控因素的作用机制,重点研究堆积体在水库运行期间的变形破坏机制。研究发现,堆积体在水库运行期间可能发生表层蠕滑变形和局部坍塌现象,且存在整体沿底部、整体沿腰部、局部沿底部和局部沿腰部4种可能的失稳模式。然后讨论边坡工程中常用的莫尔–库仑准则和广义米赛斯准则的优缺点,分析常用失稳判据的由来,并根据收敛判据提出了具体的实用判别指标。通过强度折减法确定了局部沿腰部失稳模式的滑动面位置和形状,结合极限平衡法进行上述4种失稳模式在不同工况下的稳定性分析。最后分析堆积体的变形破坏演化过程,表明在水库运行期间将首先发生灯盏坪前缘局部沿腰部失稳破坏,继而可能诱发堆积体整体失稳破坏,因此其治理重点应在于严格控制灯盏坪前缘坡体的稳定性。

盐岩屈服-破坏特征的试验及理论研究

围岩塑性区及破坏区的范围是盐岩地下储气库群腔体间距设计的重要因素,盐岩屈服及破坏特性的精确描述对于减少腔体间距,以及在有限的盐岩建库区建设更多的储气库具有重要的意义。基于盐岩的单轴、三轴应力–应变试验曲线,分析盐岩的屈服–破坏特征,将腔体围岩分为弹性区、塑性区及破坏区。试验结果表明:盐岩的屈服表现出强烈的线性特征,能够用Tresca屈服准则来描述盐岩的屈服特性,以塑性应变第二不变量为硬化参数研究盐岩的硬化特征,发现盐岩为等向硬化材料。在屈服方面,盐岩表现出金属材料的特征;在破坏方面,盐岩表现出岩土材料的特性。试验观察到剪切破坏以及轴向劈裂破坏,并基于厚壁圆筒理论解释单、三轴压缩试验中出现的轴向劈裂破坏现象。同时发现盐岩的破坏特征具有强烈的围压相关性,当围压≥5 MPa时,盐岩即使达到很大的变形(20%)依然能够承载而不发生破坏。基于莫尔–库仑准则,引入一条与围压相关的坏准则,最终建立包括拉破坏、剪破坏以及不破坏的盐岩破坏准则,基于破坏准则将应力空间划分为3个区:拉破坏区、剪破坏区以及不破坏区。在FLAC中修改本构以及自定义状态参量,通过简单模型得到围岩的弹性区、塑性区以及破坏区,验证屈服准则、破坏准则以及围岩分区的正确性。

温度压力耦合作用下的岩石屈服破坏研究

以深部开采为背景,讨论了温度和压力对深部岩石变形和破坏规律的影响。将岩石的屈服破坏过程视为能量释放和能量耗散的过程,根据最小耗能原理导出了温度和压力耦合作用下的深部岩石屈服破坏准则。该准则具有明确的物理意义,即当岩石的塑性耗散能及温度梯度引起热传导的耗散能累积耗散到一定程度时,岩石就会发生破坏失稳。

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%~69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。

Drucker-Prager准则在拉剪区的修正

针对在岩石塑性力学领域广泛应用的Drucker-Prager准则(简称D-P准则)是一个压剪屈服准则,在拉剪受力状态下不适用的情况,提出在拉剪区修正D-P准则的2种可行性方案。第一种方案是在压剪区,仍采用D-P准则的锥面式,而在拉剪区及其邻近,采用一个球形屈服面代替原来的锥顶附近的锥面。第二种方案是使用一个双曲旋转面近似地代替D-P圆锥面。将这2种方法定义的新的修正的D-P准则简称为D-P-Y准则,它是一个三参数准则,不仅在压剪区符合三轴压缩实验结果,而且在拉剪区也可拟合抗拉强度的资料。同时,它还是一个在全区域处处光滑的正则函数,可以使用经典的正交法则和一致性条件建立本构关系,而不必做任何奇异点的处理,这给应用和编程都带来方便,具有广泛的应用前景。特别地,对于双曲型的D-P-Y准则,当相关参数取0时,可分别退化为D-P准则和Mises准则,因此,在编程中可只编入D-P-Y准则。

斜井套管射孔完井出砂预测模型的建立

针对目前进行的比较多的套管射孔完井,以线弹性理论为基础,通过分析定向油井井眼围岩岩石受力的应力状态和射孔孔壁应力分布,考虑井眼围岩应力对射孔孔壁应力状态的影响;根据Moh-Coulomb准则和Drucker-Prager准则分别提出两个地层稳定性指数的概念;并利用孔壁应力分布和Drucker-Prager破坏准则所建立的出砂预测模型;通过对W1油井的出砂预测,验证该模型预测结果与油井实际情况较吻合。

基于最小耗能原理的岩石损伤本构模型研究

在连续损伤理论框架下引入最小耗能原理,将岩石统一能量屈服准则作为耗能约束条件,基于各向同性基本假定构建一种新型损伤本构模型。假定以岩石初始屈服点作为损伤阈值,模型考虑损伤阈值对损伤演化规律的影响;推导岩石三轴压缩强度和变形参量与模型参数的理论关系。为验证模型的合理性,对角砾熔岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并分析破坏过程中岩石变形各阶段的能量演化特征。研究结果表明:该模型能较好地反映岩石材料在复杂应力条件下的非线性力学行为,且考虑损伤阈值影响的模型对岩石后屈服段的拟合精度更高,对复杂应力条件下的岩石工程安全分析具有参考价值。

基于三剪能量屈服准则的应变软化岩石统计损伤本构模型研究

岩石的变形破坏本质上是能量转换的结果。为更加合理地构建岩石的本构模型以及探讨岩石的变形破坏特性,先引入统计损伤理论,假定岩石微元强度服从Weibull分布,推导出岩石的损伤本构方程;然后从能量角度分析岩石的变形破坏特性,构建了基于三剪能量屈服准则的岩石微元强度,进而建立起基于三剪能量屈服准则的应变软化岩石的统计损伤本构模型,模型中参数的物理力学意义明确;最后以一组岩石三轴压缩试验数据为例,对所建立的本构模型的可靠性和实用性进行了验证。结果表明:利用所建立的本构模型得到的岩石应力-应变理论曲线与试验结果吻合度很好,该模型能够很好地反映岩石变形破坏过程中的典型特性,并能够模拟任意围压条件下岩石的应力-应变曲线,且模拟曲线能够反映出围压对岩石变形破坏的影响,表明该模型具有可靠性和实用性。

基于广义Hoek-Brown屈服准则的非线性弹塑性岩石(体)本构模型及其数值实现

Hoek-Brown(H-B)屈服准则存在奇异性,在岩石(体)应力状态的低(拉)围压区存在低估岩石抗拉强度的现象。为了在数值计算中处理H-B屈服准则的奇异性,解决H-B屈服准则在低(拉)围压条件下低估岩石抗拉强度的问题,采用主应力回映算法和不同应力状态选取不同的m_i常数的方法,建立基于H-B屈服准则和考虑岩石屈服前的非线性特性的本构模型;在Ls-dyna的自定义材料接口程序中利用Fortran对模型进行二次开发,通过删除单元的方法模拟岩石试件的破裂过程,实现带破坏模式的低围压条件下的模型精确数值求解,获得岩石单轴压缩与巴西劈裂的三维破坏形态;岩石单轴压缩实验、巴西劈裂实验和声发射实验的三种力学特性实验结果与模型数值计算结果比较表明,实验结果与数值计算结果吻合较好,模型及其算法有较高的准确性。

基于三剪能量屈服准则的地下水平盐岩储库腔壁稳定性分析

为解决地下水平盐岩储库的稳定性问题,在三剪能量屈服准则和试验研究的基础上,建立一个新的基于洛德角和应力的全应力状态的扩容准则。以建立的准则为判据,在不同轴比、不同侧压系数条件下,对常见的水平椭圆柱形的盐岩储库腔壁稳定性进行评价,最终确定储库的最佳轴比及其运营的极限气压范围。将计算结果与Kerry DeVries准则的计算结果进行对比,结果表明:该准则为确定地下水平盐岩储库运营时的极限气压提供了行之有效的理论方法。

考虑压剪耦合特性的岩土材料广义非线性屈服准则

针对岩土材料的压剪耦合特性,将原广义非线性强度理论(GNST)扩展为可合理考虑岩土材料屈服与破坏特性的广义非线性屈服准则。在偏平面上,屈服准则表达式采用SMP准则与广义Mises准则的插值表达式;在子午面上,屈服准则表达式采用可考虑压剪耦合特性的封闭曲线表达式。由于在过渡空间中建立相应的屈服准则表达式,因此与已有的Matsuoka-Nakai准则与Lade-Duncan准则的插值准则(MNLD准则)相比,新准则描述屈服时采用非线性强度曲线,同时能够更合理地考虑静水压力对于偏平面以及子午面上屈服特性的影响,模型参数均具有物理意义,且通过常规试验可以确定。通过不同岩土材料的破坏以及屈服特性的试验预测对比,验证了新准则在描述岩土材料压剪耦合特性方面的合理性。

茂木式真三轴试验机的端部摩擦效应

茂木式真三轴试验中需要在加载装置和试件之间至少设置两对刚性接触的垫块,由于加载过程中端部摩擦限制了试件的自由变形,因而提高了试样的测试强度。为定量评估端部摩擦效应,采用同一批红砂岩试样开展不同端部摩擦因数和中间主应力条件下的双向压缩试验,试验结果表明,不同端部摩擦因数条件下的试件强度测试值存在显著差异,相同中间主应力条件下摩擦因数从0.12提高到0.28时,最大主应力极限值提高5.5%~43%。基于试验数据分析采用不同破坏准则时摩擦效应的合理性,结果表明应变能准则对双向受压工况适用性最好。基于试验数据和应变能准则,建立摩擦效应的定量表达式,绘制考虑摩擦效应的中间主应力效应曲线,分析摩擦效应对1 2?-?曲线形状的影响,分析结果与试验数据吻合良好。通过试验揭示摩擦效应的重要影响,建立定量分析模型,对于评价真三轴试验数据的可靠性具有重要参考意义。