基于神经网络的岩石强度准则研究

传统的岩石强度预测均使用经典强度准则.该文使用神经网络在单轴及三轴加载情况下对岩石强度准则进行研究,搜集来的各种岩石相关数据随机划分成训练和验证子集.将抗压强度σc和最小主应力σ3作为输入值,最大主应力值σ1f作为输出值训练神经网络.使用训练后的神经网络预测试验岩体破坏时的σ1f,同时使用相同的训练子集反演Hoek-Brown经验公式的常数m.使用测试数据对训练后神经网络预测的目标岩石强度的准确性进行验证,同时将测试数据带入两类Hoek-Brown(m值的取值不同)经验公式预测目标岩石强度(岩体破坏时的σ1f).比较神经网络和Hoek-Brown预测结果表明神经网络预测结果的均方差减小了30%～40%,决定系数增加了0.05～0.08,更接近于1.说明使用ANN对岩石强度进行预测能适应的加载范围较宽,且适合岩石种类多变的复杂非线性情况,灵活准确.     

强度折减法在Hoek-Brown准则中的应用

为了在Hoek-Brown准则中实施强度折减法,并使其得到的结果与Mohr-Coulomb准则中强度折减法得到的结果等效,首先,通过理论推导确定Hoek-Brown准则参数m,s,σci与粘结力c和内摩擦角φ之间的关系;然后,进一步得到在Hoek-Brown准则中实施强度折减法时,m,s和σci的折减系数以及它们之间的关系;最后,由FLAC3D软件建立计算模型,采用所确定的折减方法计算边坡的安全系数,并将该结果与Mohr-Coulomb准则得到的结果进行对比,结果表明:参数m,s和σci的折减系数须满足一定关系,强度折减法在Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则中得到的安全系数的差别为3.54%,差别微小,从而验证了所确定的折减方法的可靠性。     

基于真三轴强度准则分析页岩斜井坍塌风险

井壁稳定性分析常采用Mohr-Coulomb（M-C）准则,由于其忽略了中间主应力（σ₂）的影响,使得结果偏于保守。为此,给出一种考虑了σ₂影响的真三轴Mogi-Coulomb（MG-C）准则,通过拟合Yuubari页岩真三轴实验数据,评价了M-C、Drucker-Prager（D-P）和MG-C准则的适用性;基于孔隙弹性斜井井壁应力分布模型,采用3种强度准则进行了斜井相对坍塌风险的分析。研究表明,MG-C准则拟合结果最好,能够准确反映σ₂对强度的影响,岩石强度随σ₂增加,先增加后下降;采用3种强度准则计算的斜井相对坍塌风险分布规律基本一致,M-C准则计算结果偏高,D-P准则计算结果偏低,而MG-C准则比较准确地考虑了σ₂的影响,其计算结果比较适中,比较适合用于井壁坍塌压力分析。MG-C准则的材料常数可通过常规三轴岩石力学参数（内聚力和内摩擦角）计算得到,使得MG-C准则使用方便,采用测井资料分析井壁稳定可得到连续坍塌压力剖面。     

Hoek-Brown岩体非线性强度的线性化方法

以瞬态摩擦角φi为中间变量详细推导Hoek-Brown准则的τ-σ关系.根据Hoek-Brown准则的τ-σ关系,推求Hoek-Brown准则下最小单元安全系数所对应的截面位置,并认为该截面为岩体发生临界破坏时的破坏面.根据岩体发生临界破坏时的破坏面位置以及作用于该面上的正应力和剪应力求得岩体在发生临界破坏时所受到的最小主应力σ3.通过搜寻计算模型范围内每一种材料中所有单元临界破坏状态下的最小主应力σ3找出每一种材料中最小主应力区间.采用最小二乘法推导通用Hoek-Brown准则在任意最小主应力区间范围内的等效Mohr-Coulomb参数.采用本文中建议的线性化方法和Hoek-Brown准则强度折减法对一边坡算例进行计算.结果表明:当每一种材料的最小主应力区间划分得越细,通过等效Mohr-Coulomb参数求得的边坡安全系数和破坏面位置与通过Hoek-Brown准则强度折减法获得的结果越接近.     

中主应力系数对岩石强度准则的影响

为揭示真三轴条件下的岩石强度,基于Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则、Drucker-Prager准则、Mogi-Coulomb准则、统一强度理论等不同本构模型,引入中主应力系数β,推导不同强度准则关于β的计算公式;结合Mogi对Dunham白云岩试样的试验结果,将该问题等效为不同本构模型在β变化下的比选问题。研究结果表明:随着β增加,当σ_3较小时,统一强度理论比较适用,在统一强度理论计算峰值与试验峰值之间Mogi-Coulomb准则和Hoek-Brown准则比较适合;当σ_3较大时,Mogi-Coulomb准则失效,Hoek-Brown准则较为安全;采用统一强度理论在岩石强度峰值之后能较好地拟合试验曲线;Drucker-Prager外接圆准则主要适用于一般三轴条件下或β较小情况下的计算。     

基于Hoek-Brown强度准则的洞室稳定影响分析

基于非线性Hoek-Brown强度准则,引入洞室围岩稳定系数,研究分析了岩体力学参数及初始应力场对地下洞室稳定性的影响。结果表明,保持σ3不变,侧压系数k增加以及保持σ3不变,主应力差σ1-σ3增加时,洞室稳定性相应降低。Hoek-Brown强度准则中,表征岩体特征参数GSI、mi以及岩石单轴抗压强度σci量值增加,洞室稳定性亦相应增加。     

高性能轻骨料混凝土三轴压强度和变形特性研究

为了给轻骨料混凝土结构的设计和有限元分析提供精确的本构模型,进行了高性能全轻混凝土、高性能次轻混凝土和普通骨料混凝土的真三轴压试验研究,对3种混凝土的多轴强度和变形特征进行了比较.试验应力比选取低应力比σ1/σ3=0.1和高应力比σ1/σ3 =0.25两组,每组变换中间主应力σ2.通过比较发现,单轴压条件下轻骨料混凝土...     

基于声波信息预测岩体力学参数的研究

基于Hoek-Brown强度准则中运用地质强度指标GSI求取岩体力学参数的方法。通过改进构建起钻孔声波测试所得岩体纵波波速vmp,岩石单轴饱和抗压强度σc与GSI值之间的函数关系,并应用于Hoek-Brown强度准则预测了沙坨水电站大坝坝基岩体力学参数,结果显示预测值与实验测试值之间基本吻合。该方法为资料不足情况下探知岩体力学参数提供了一种参考方式。     

包含岩石临界状态的Mohr-Wedge准则适用性研究

Mohr-Wedge(MW)岩石强度准则是基于岩石楔形破坏力学模型及主应力间的偏微分方程等的理论性公式推导.利用量纲分析整理该准则所含的多个参数,并赋予参数相应的物理意义,可使该准则简单易懂.为分析包含岩石临界状态的MW准则适用性,选取Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和指数准则为比较对象,以平均绝对误差MAE为评价指标,量化比较4个准则预测岩石强度的准确度.结果表明:当围压小于岩石临界状态围压σ_○cr-M时,MW准则具有一定的适用性;当围压大于σ_○cr-M时,4个准则预测的岩石强度因岩石临界状态围压不同而发生偏差.基于此,提出了不同岩石临界状态围压预测岩石强度的方法,可为岩石临界状态围压的取值提供一定的借鉴意义.     

基于Hoek-Brown准则点安全系数的边坡稳定性分析

为了采用Hoek-Brown准则分析边坡各部位的稳定程度,通过理论分析,推导Hoek-Brown参数表征的点安全系数(Fp)函数;利用FLAC3D软件建立边坡数值计算模型,编制相应Hoek-Brown点安全系数程序,分析材料参数和应力变化的影响.研究结果表明:采用自编程序计算的Fp≤1区域与采用FLAC3D软件计算的塑性区分布范围大致相同,并且点安全系数的判定标准能够表征各单元的破坏程度,优于塑性区判定标准;随着单元损伤程度的加大,点安全系数Fp逐渐减小;随着地质强度指标GSI增大,Fp逐渐增大,两者之间的关系符合3次多项式分布;Fp随完整岩石的单轴压缩强度σci的增大而增大;最大主应力σ1增大引起Fp逐渐减小,两者表现出显著的双曲线分布规律;Fp随最小主应力σ3的增大而增大,这与工程实际情况相符.     

基于Hoek-Brown强度准则确定均质岩基抗剪强度参数的方法

本文针对岩体的非线性破坏特征 ,基于经验的 Hoek- Brown强度准则 ,提出了确定近水平均质岩基抗剪强度参数 c、 的新方法。最后 ,用算例阐明了本文方法     

考虑中间主应力的深埋圆形隧道弹塑性统一解

为了充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,在平面应变假设下将统一强度准则精确匹配为Drucker-Prager强度准则,推导了考虑剪胀特性的理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式,并结合非关联流动法则推导出深埋圆形隧道塑性区的应力与位移统一解.结果表明,经典的Kastner解为所得应力与位移统一解的特殊情况.同时,根据应力与位移统一解公式并结合实际算例,分析了中间主应力和围岩剪胀角对深埋圆形隧道塑性区的影响规律.     

考虑主应力方向影响的正交各向异性土体强度

利用材料组构与应力主轴的方向关系,对椭圆型角隅函数进行修正并引入到Mohr-Coulomb准则,建立了一个适用于正交各向异性土体的三维强度准则.通过所建立的准则,推导了考虑主应力轴方向变化影响的土体峰值应力比与中主应力比关系的计算公式,获得了土体峰值内摩擦角随中主应力比及大主应力偏转角的变化特性.通过与不同沉积面角度条件下的三轴试验及空心圆柱扭剪试验结果对比表明,理论公式预测的内摩擦角与试验结果一致.     

考虑中间主应力与约束损失的深埋圆形隧道围岩特征曲线分析

提出基于统一强度理论和非相关联流动法则,推导同时考虑中间主应力和约束损失两种因素作用下的围岩弹塑性应力-位移解析解.结合算例,分析中间主应力和约束损失对围岩特征曲线的影响规律.结果表明:考虑中间主应力的影响,能够充分发挥围岩的强度;考虑约束损失的影响,计算得到的围岩塑性区径向位移值减小,说明在利用围岩特征曲线进行支护设计时,同时考虑以上两种因素,能够取得较好的经济效益.     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

考虑中间主应力与剪胀的新邓肯张模型

邓肯-张模型是岩土工程中广泛应用的非线性弹性模型,但由于其建立在Mohr-Coulomb强度准则基础上,不能考虑中间主应力的影响,且邓肯-张模型应用广义胡克定律时,假定体应变与轴应变之间为双曲线,不能反映岩土材料的剪胀性.基于统一强度理论,在沈珠江模型的基础上,采用二次抛物线体变公式,改进其参数形式,建立同时考虑中间主应力和剪胀的新邓肯-张模型.经与粗粒土和粘性土等试验结果比较,验证了新模型的正确性.研究结果表明:该新模型克服了邓肯-张模型的不足,可以合理地反映岩土材料的中间主应力效应和剪胀性.该结果为邓肯-张模型的改进提供了理论依据,对实际工程设计具有一定的参考价值.     

弹体对岩石的侵彻深度

采用统一强度理论作为岩石的破坏准则,基于动态空腔膨胀理论研究了弹体侵彻岩石靶时所受的阻力,以及刚性弹体对岩石的侵彻深度,并分析了破坏准则、弹头形状、摩擦系数等因素对侵彻深度的影响,与试验资料进行了比较。结果表明,当弹体初始速度低于1200m·s-1时,采用双剪强度理论的计算结果与试验资料符合较好,该模型是合理的,可作为相关问题研究的参考。     

考虑中间主应力影响时条形地基极限承载力公式

基于Mohr-Coulomb理论的地基极限承载力公式，没有考虑中间主应力的影响．利用双剪强度理论建立了考虑中间主应力影响时的地基极限承载力公式．推导了凝聚力和基础两侧土的超载影响及自重作用影响的理论公式．以条形基础为例，计算了考虑中间主应力对地基极限承载力的影响．研究结果表明，考虑中间主应力影响，地基极限承载力将提高．     

经验参数m,s对岩体强度的影响

在简单介绍Hoek-Brown经验强度准则的内容的基础上，结合1983年E．Hoek的研究成果，具体探讨经验参数m，s对岩体强度的影响，对正确应用该准则有所启发和帮助。     

新的多参数强度准则

在新的力学模型上建立了三种类型的四参数强度准则。这三个新的强度准则不仅适用于拉压强度不等的材料，并且适用于那些单轴压缩强度不等于双轴压缩强度的岩土类材料。这三个强度准则有一普遍意义：最大剪应力准则、莫尔－库仑准则、双剪应力单参数准则、两参数准则、三参数准则，还有近年来提出的一些准则都是这三个准则的特例。