砂化白云岩Hoek-Brown准则参数取值方法研究及其岩体力学参数估算

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带,发育一套巨厚层砂化白云岩,其岩体力学参数取值,目前尚无相关经验或建议。基于Hoek-Brown(简称H-B)准则及其Mohr-Coulomb(简称M-C)线性转换理论,归纳总结前人研究成果,在试验数据的基础上,研究了砂化白云岩的H-B准则参数,提出一种基于静止侧压力系数k_(1)的最大围压上限σ_(3max)简化取值方法,估算其岩体力学参数并给出了取值建议。结果表明:基于k_(1)的σ_(3m)_(ax)简化取值方法,合理缩减了围压σ_(3)的取值区间,提高了计算精度;砂化白云岩的地质强度指数GSI与无侧限抗压强度σ_(ci)呈良好的线性关系,结合其砂化程度在岩体块度上的贴切表现,制作了针对砂化白云岩的改进GSI建议值表;岩体材料参数m_(i)的大小主要受控于岩石种类及细观颗粒的粗糙程度,其取值区间跨度小且对岩体力学参数影响较小,取用m_(i)=9;通过H-B准则与M-C准则的线性转换,建立了σ_(ci)与岩体抗剪强度之间的计算关系;各试验值、拟合值及理论计算值之间关系自洽、结果合理,有效解决了极破碎白云岩岩体力学参数的取值问题。上述基础性工作对H-B准则的应用起到了有益的补充,对武汉市类似岩层的岩体力学参数取值方法研究及运用具有重要借鉴意义。

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3#引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明:(1)建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2)不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆-延转化点;(3)对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4)在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5)根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。

岩-土-混凝土破坏准则及其强度参数估算

简述了岩-土-混凝土材料的破坏准则。在柔性桩复合地基、主动和(或)被动侧土体加固基坑、重力式挡墙边坡和滑坡等进行数值模拟工作中,岩-土-混凝土的强度参数估算是必不可少的环节。在二维应力和三维应力状态分别与莫尔-库仑斜直线和莫尔抛物线破坏准则组合成的4种情况下,推导出求岩、土、混凝土结构的粘聚力、内摩擦角及其单轴抗拉和抗压强度公式,最后进行误差分析。该研究结果具有重要的理论意义和工程应用价值。

基于虚强度参数的塑性硬化模式

塑性理论中常采用等向硬化、随动硬化和混合硬化的假定来描述硬化函数的演化规律,这需要在屈服函数上增加相应的函数项,但这些关于硬化模式的假定不是必须的。提出了利用虚强度参数来描述介质塑性硬化规律,即在不改变屈服/破坏函数形式的条件下,只将其中的强度参数替换为塑性硬化参量的函数,便可以实现既避免硬化规律的先验假设,又可体现介质的硬化过程。采用一组煤岩的三轴加卸载试验数据研究了基于Coulomb-Mohr准则和基于Drucker-Prager准则及其强度参数的塑性硬化函数。结果表明,这2个函数的塑性硬化面子午线在应力空间中以平移和旋转2种方式体现介质的塑性硬化过程,并与已有煤岩试验数据一致。所提出的虚强度参数的概念为破坏准则中真实强度参数替换后作为硬化函数提供了一个逻辑的桥梁。

完整岩石Hoek-Brown屈服准则参数m_i的经验模型

建立参数mi与围压关系的负指数经验模型,并通过多种岩石三轴压缩试验数据拟合该模型的参数并验证模型的合理性。最后对该经验模型参数的取值规律及其影响因素进行了讨论。结果表明:负指数模型较常量mi模型能够更好地拟合三轴压缩试验数据;常量mi模型在高围压阶段拟合效果较好,但是在低围压及拉伸段拟合效果较差,而且常量mi模型往往高估岩石的单轴抗压强度及单轴抗拉强度。

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。

基于非线性破坏准则的岩体剪切强度参数确定方法

剪切强度预测是岩体稳定性分析的重要内容,为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体的剪切强度参数,利用理论推导和数值拟合的方法,探讨了Hoek-Brown参数到Mohr-Coulomb参数的转换过程,并分析了非线性准则中各个参数对于剪切强度参数的影响。结果表明,通过大量数据拟合回归的方法可确定剪切强度参数与Hoek-Brown准则参数之间的关系;随着地质强度指标GSI的增大,岩体的剪切强度参数c和准均不断增大,黏结力较内摩擦角对于岩体地质强度指标的变化更为敏感;二者随mi的变化幅度均不大,GSI对于岩体强度的影响大于mi。

基于Hoek-Brown准则的强度折减法及进展

随着Hoek-Brown强度准则的不断发展和完善,基于非线性Hoek-Brown强度准则开展岩体稳定性分析开始成为一个课题。由于其具有若干优点,例如适用于复杂的工程问题,强度折减法日益受到重视。通过详细研究,将基于Hoek-Brown准则的强度折减法分为四类,即非线性强度准则线性化方法、"降低"强度包线法、参数折减方法和局部或瞬时线性化方法,并对上述四种方法进行了评述。此外,推导出Hoek-Brown强度准则的应力不变量表达形式,并提出一种新的基于Hoek-Brown强度准则和正应力与剪应力表达式形式的参数折减方案,即σci和mb等比例折减方案,通过数值算例证实了所提折减方案的简便和有效。

基于双剪强度理论的混凝土板极限冲切承载力计算方法

将混凝土板的冲切破坏简化为平面应变问题,采用双剪应力三参数强度准则对冲切破坏时的混凝土板剪压区的复合应力进行分析,得到了剪压面上的极限竖向剪应力,利用静力平衡条件求得混凝土板的极限冲切承载力计算公式。与国内外246个试件的试验数据进行比较表明,该公式的计算结果与试验结果吻合良好。计算公式的计算模式概念清晰,可供结构设计时参考。

一种新的用于各向同性损伤模型的四参数等效应变

基于Hsieh-Ting-Chen强度破坏准则的思想,提出由于求解混凝土各向同性损伤模量的等效应变。首先通过混凝土试件材料特性以及强度试验资料来确定四参数,然后求解出由多轴应力状态下的应变退化得到的等效应变以及相应的损伤模量。对一混凝土立方体试件进行有限元分析,计算结果表明:采用该等效应变计算所得的应力应变曲线与试验曲线吻合性较好,从而说明了该等效应变的合理性,并且可说明利用该等效应变的损伤模型不但可以描述单轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线,而且能描述多轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线。该等效应变形式单一,计算简单。

多轴强度安全系数的定义及应用

针对基于古典强度理论的传统安全系数定义不能确切地表示材料在多轴应力状态下的安全度,也很难直接应用于一般的多参数强度准则的问题,引入失效距离的概念,给出了多轴强度安全系数的定义及其计算方法。以混凝土材料为例,选择常用的5种强度准则,分别给出了多轴强度安全系数的计算公式。选取3组较为典型的应力组合,分别计算了5种强度准则对应的多轴强度安全系数,所反映的混凝土材料强度状态与三轴试验结果相当吻合。结果表明,所定义的多轴强度安全系数有利于改变现行设计准则中经常采用单轴强度安全系数的习惯,为更加科学合理地进行结构强度设计和校核提供了有效的工具。

JRC-JCS模型在抗剪强度参数取值中的应用

工程岩体的失稳几乎都是沿着结构面发生的。而岩体结构面的抗剪性质并不完全满足莫尔-库仑准则,因此在岩质边坡的稳定性分析中采用莫尔-库仑准则有可能会带来较大误差。本文简要的回顾了岩体结构面抗剪强度估算方法发展的历程,提出了基于JRC-JCS模型计算等效抗剪强度参数的概念和方法,并通过简单计算实例阐明了这一方法在处理实际工程问题中的特点。

饱和粘性加筋土的强度特性研究

本文依据加筋机理,分析了粘性加筋土的工作原理和工作条件,并根据 Mohr-Coulomb 屈服准则,分别导出了加筋土在拉力破坏与粘着破坏条件下的强度参数表达式。理论结论得到了试验验证,两者吻合得较好。

高强混凝土在压剪复合受力下性能的试验研究

依据Z形和拱形试件的压剪复合受力试验,研究分析了高强混凝土的受力性能,给出了σ_x/f_c-τ/f_c强度曲线及破坏准则.

高强混凝土在压剪应力状态下的强度破坏准则

依据试验结果，对Ｏｔｏｓｅｎ模型参数作适合于高强混凝土的修正，把Ｏｔｔｏｓｅｎ理论延伸到处于压剪应力状态的高强混凝土，并验证了它的适用性．

混凝土非线性本构模型的构建

通过分析各种常用的材料强度破坏准则，建议了一种适合混凝土非线性特性的破坏准则；采用了非线性指标βｔ，βｃ区别对待材料的不同拉、压状态；引用了Ｓａｒｇｉｎ的一维应力应变关系．结合以上３个方面，提出了一个较为合理恰当的混凝土非线性本构模型，便于有限元的实施。

碎裂边坡岩体等效抗剪强度参数的确定

为了更精确地求出岩体的等效抗剪强度参数,本文采用岩体结构面网络模拟方法获得了边坡岩体质量分级的RMR值,通过建立RMR值与Hoek-Brown强度准则的数学关系,可计算出岩体的等效内聚力c和等效内摩擦角,并以该等效参数为基础利用3DEC软件进行数值模拟,结果表明模拟结果与实际情况基本相符,从而验证了该方法进行碎裂边坡岩体抗剪强度参数的确定具有可行性,且能更精确地为工程设计和施工服务。

西部某电站基于Hoek-Brown准则的岩体力学参数取值分析

以西部某水电站岩体参数获取为例,在已有单轴抗压试验、平硐素描基础上,利用Hoek-Brown准则进行抗剪强度参数和变形模量等参数取值。由Hoek-Brown准则获得的参数与水电规范法获得的参数进行对比分析可知,对于西部复杂地质条件下的参数取值,HoekBrown准则的引入,具有一定的可行性。总体而言,抗剪强度参数中黏聚力c和变形模量E均偏低,摩擦系数f偏高,形成这样差异的原因是GSI值的判定存在人为因素的影响,仍需要对其参数进行修正,并期望可用于指导本工程的施工。

两种岩体抗剪强度参数量化方法探讨

在国际工程及一些小型工程中,常遇到取样试验获取岩体抗剪强度参数困难的情况。国内一般采用按规范分级查表方法给定参数,国外主要以GSI打分,结合Hoke-Brown准则确定。在分析两套方法理论的基础上,对比二者考虑的因素,结合案例应用情况,得到以下认识:(1)两套方法的原理均为岩石强度及结构面特性共同决定岩体抗剪强度;(2)对于同一工程的岩体研究对象,二者评价得出的抗剪强度参数值不一致,但工程评价效果相同;(3)国内规范法理论过程不够严谨,在国际工程中难以推广使用;(4)国外方法拟合摩尔库伦参数时所用的最小有效主应力可通过各工况有限元计算确定。