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。     

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.     

椭圆准则的岩石三轴试验运用分析

岩石强度破坏理论是岩石力学与工程问题的理论基础。本文推广了适用于金属玻璃材料拉伸破坏下的椭圆准则强度理论运用于岩石材料,开展如下主要工作:导出椭圆准则在o-σ_1σ_2σ_3坐标系下的描述形式,再选取三组不同类型的岩石式样,观察每组岩石式样的常三轴实验数据与椭圆准则强度曲线的偏离程度。结果表明,每组式样的实验数据点总体上在椭圆准则强度曲线附近,偏差较小。该准则对于岩石材料是适用的。     

岩石考虑中间主应力Hoek-Brown强度参数分析

为了进行深部地下工程稳定性分析,准确建立岩石强度准则,利用考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,将σ2+σ3作为自变量,σ1-σ3作为应变量,对国外学者所做的7组（白云岩、石灰岩、粗面岩、砂岩、页岩、大理岩和闪岩）真三轴压缩强度试验数据进行了拟合分析。采用多次拟合逼近方法,结合各参数的物理特点,给出了合理的参数取值或计算公式。分析结果表明,对于应力强度比κ介于1.5~8之间的高应力状态,考虑中间主应力Hoek-Brown岩石强度准则（σ1-σ3=σc［m(σ2+σ3)/(2σc)+s］n）与试验较吻合,其中参数n可取0.4,s可取1,m与应力强度比κ之间符合幂函数关系,可用公式m=1.5κ1.8计算。     

岩石强度的椭圆准则参数研究

本文以椭圆断裂准则为基础,提出了一个适用于岩石三轴压缩强度的描述形式。通过椭圆准则基本特征简要分析,推导了它在主应力坐标系下的基本方程,给出了确定破坏面方位的关系及判断剪切或拉伸正断发生的条件。为确定椭圆准则中岩石材料断裂行为相关特征参数,引入了一个应力状态和岩石固有力学性质变化相关的可变参数。该参数的公式化结果与椭圆准则基本方程的联合应用,构成了岩石三轴压缩强度的椭圆准则描述关系。理论计算结果与大理岩、砂岩和花岗岩的常规三轴试验测试结果的对比,表明了所提出的强度破坏关系具有良好的预测能力。     

基于等效Mohr-Coulomb摩擦角的强度准则主应力平面表示

定义Mohr-Coulomb(M-C)强度准则各种表达式和对应的等效M-C摩擦角,基于等效M-C摩擦角给出主应力σ1σ2关系表达式,即各种强度准则在主应力平面的表示。以Matsuoka-Nakai(M-N),Lade-Duncan(L-D)和Moji强度准则为例,演示了该方法的应用,研究3种强度准则中间主应力σ2对材料屈服时的最大主应力σ1的影响。结果表明:这种在二维主应力σ1-σ2平面中表示强度准则的新方法既适用于无黏性材料又适用于黏性材料,用于黏性材料时,通过平移坐标轴将黏性材料破坏面转换成无黏性材料破坏面,为材料强度准则研究提供了新思路。     

非饱和土真三轴双剪新强度准则及验证*

依据非饱和土的双应力状态变量理论,在俞茂宏双剪新强度准则的基础上,建立了适用于非饱和土的真三轴双剪新强度准则,并用文献非饱和粉砂刚性与柔性真三轴试验结果进行了验证.研究结果表明:该分段线性的真三轴双剪新强度准则能反映非饱和土强度的中间主应力效应及其区间性与单轴拉压不等特性,且可线性逼近拓展的非线性Spatially Mobilized Plane准则;Mohr-Coulomb强度准则的预测值偏小、外接圆Drucker-Prager准则的预测值明显偏大,这两个准则对非饱和土的真三向应力状态及试验数据均不具有很好的适用性.     

Mogi-Coulomb强度准则应用于岩石三轴卸荷破坏试验的研究

 针对Mogi-Coulomb 强度准则是否适用于三轴卸荷试验,基于已有常规三轴及真三轴的试验数据,利用Mogi-Coulomb强度准则,对常规三轴卸荷及真三轴卸荷条件下的实验数据进行拟合和分析,并对拟合得到的相关强度参数和试样的破坏特征进行分析。结果表明,Mogi-Coulomb 强度准则在常规三轴卸荷条件下有着良好的适用性,而在真三轴卸荷条件下,虽然线性拟合效果较好,但拟合参数反映的岩石黏聚力值出现负数的异常情况。分析现有实验测试结果,可以推测出现参数异常的原因,应是岩石在真三轴卸荷条件下的破坏模式由剪切型破坏转变为强烈的张拉型岩爆破坏所致。这表明Mogi-Coulomb 强度准则虽能在一定程度上反映真三轴卸荷的主应力关系,但其本质仍为基于剪切破坏的强度准则,存在一定的局限性,对于张拉为主-剪切共存型的岩爆破坏,有必要建立一种新的岩石强度准则来反映真三轴卸荷下的岩石本构关系。     

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.     

在多轴应力状态下脆性岩石的强度特性

本文以须家河中粒砂岩、须家河细粒砂岩和嘉陵江微晶质石灰岩三种不同致密程度的岩石为研究对象,利用一套三个主应力大小均可独立改变的岩石真三轴加压设备,对岩石在多轴应力状态下的强度特性及断裂破坏形态进行了深入地研究,并着重讨论了中间主应力σ_2对岩石强度及断裂破坏形态的影响。结果发现,对于不同最小主应力σ_3下的(σ_1/σ_c)～(σ_2/σ_c)强度曲线可以十分近似地用某一抛物线来表示,而对于不同Lode参数λ下的(R/σ_2)～(Q/σ_c)强度曲线则可以十分近似地用某一直线来表示。同时还发现,岩石的断裂破坏将随着应力状态的不同而有可能出现剪切破坏,拉剪混合破坏或拉裂破坏。     

考虑中间主应力的粉砂岩侧向卸荷力学特性试验研究

利用TRW-3000型岩石真三轴试验系统开展粉砂岩真三轴侧向卸荷试验,研究不同中间主应力系数b条件下粉砂岩卸荷破坏、变形特征,并基于Mogi-Coulomb强度准则,探讨岩体强度特征。研究结果表明:在真三轴侧向卸荷应力条件下,随着中间主应力增大,粉砂岩试样卸荷破坏模式由剪切-张拉复合破坏转变为板裂破坏,剪切破断角随b增大呈线性增大;应力-应变曲线有较明显的阶段性,随着中间主应力增大,破坏时最大主应变ε1、最小主应变ε3增大,体积应变εV减小,扩容趋势更加明显;在卸荷过程中,变形模量随卸荷量增加呈负指数关系降低;采用Mogi-Coulomb准则对真三轴侧向卸荷试验强度进行拟合分析,回归方程满足显著性水平α=0.01的F检验要求,Mogi-Coulomb强度准则能够较好地用于描述不同中间主应力条件下的粉砂岩侧向卸荷强度关系。     

海洋天然气水合物强度准则适用性分析

为分析常三轴压缩条件下不同饱和度天然气水合物在不同围压下强度破坏准则的适用性,基于Mohr-Coulomb、Mogi-Coulomb、Hoek-Brown、广义Hoek-Brown和Drucker-Prager准则,结合天然气水合物的应力-应变曲线,进行天然气水合物强度拟合。结果表明,Mogi-Coulomb准则和Drucker-Prager强度准则计算值与实验值平均误差率小于2%,拟合曲线相关系数大于0.99,表明这两种强度准则与实验结果具有较高的一致性,而Hoek-Brown准则拟合曲线相关系数小于0.95,在天然气水合物低围压下并不适用。研究结果可为天然气水合物井壁稳定研究,保障水合物开采安全进行,提供理论参考。     

复合岩石的破坏准则

本文在假设各组分岩石遵循Mohr-Coulomb强度理论的基础上建立了复合岩石的破坏准则。所用“复合等效方法”使复合岩石的破坏准则由各组分岩石的强度参数(C_,φ_i)和几何参数(λ_i)确定,并由此论述了由复合岩石实验结果确定各组分岩石强度参数的方法。三轴实验结果表明该准则对描述复合岩石的强度特性具有相当高的精度,为成层岩体中的岩石工程计算提供了更加精确的方法。     

粗粒土在仔平面上的真三轴试验及强度准则

利用河海大学TSW-40型真三轴仪,对粗粒土进行π平面上的等p(球应力)、等b(中主应力系数)试验,研究粗粒土在π平面上破坏应力比Mb与b的关系。试验结果表明：Mb 随着b的增大而减小;b值较小时其变化对Mb 的影响较大,b值较大时其变化对Mb 的影响则较小;在相同b值下,Mb随着p的增大而减小,强度表现出非线性特性。将等σ3面上的破坏准则、Mohr-Coulomb破坏准则、粗粒土的应力不变量破坏准则、Lade-Duncan破坏准则、Matsuoka-Nakai破坏准则这5种破坏准则在π平面上的破坏线与试验结果比较,验证其对粗粒土的适用性。结果显示,粗粒土等σ3面上的破坏准则由于考虑了中主应力的影响,比Mohr-Coulomb破坏准则更符合试验结果,且可以较方便地考虑粗粒土的强度非线性;粗粒土的应力不变量破坏准则介于Lade-Duncan破坏准则和Matsuoka-Nakai破坏准则之间,与试验结果较接近。     

混凝土在双向受压下力学性质的试验研究

采用大吨位等刚度双向加载系统,对混凝土立方体试块进行了双向和单向加载的试验研究。实验结果表明：在双向加载条件下,混凝土的破坏强度远大于单轴破坏强度;由于中间主应力的增加,约束了试件的横向变形,使1：l加载破坏强度大于双轴2：1加载破坏强度;总结了在最小主应力σ3=0的情况下,试件双向σ1—σ2关系。     

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...     

云雾山隧道围岩力学性质研究

对宜万铁路云雾山隧道灰岩进行室内三轴压缩试验研究,分析与比较了自然状态和饱和状态试样在不同围压下应力-应变关系曲线,结果表明,含水状态和围压对岩石的峰值强度、轴向应变及弹性模量均具有一定影响.在主应力空间内,利用线性莫尔-库伦强度准则拟合试验数据得到岩石的强度参数C,φ值,为该隧道工程的计算分析提供参考.对岩样的破坏特征进行分析后得出:在较低围压下,试样基本上为宏观单一断面的剪切破坏,随着围压的增大,试样有向两个相交的剪切面发展的趋势.     

基于Mogi-Coulomb统计损伤本构模型及渗透性突变的研究

摘要：在基于Lemaitre应变等价性理论和岩石微元强度服从 Weibull 随机分布的基础上,引进Mogi-Coulomb准则作为岩石微元强度的表示方法,并深入研究岩石压缩破坏过程中损伤变量的变化规律,建立了统计损伤本构模型,该模型可以较好的反映岩石在不同围压下压缩破坏对应的损伤阀值。通过岩石三轴应力–应变试验曲线对模型进行验证,并与基于Drucker-Prager和Mohr-Coulomb准则的损伤模型的模拟曲线相比较,表明基于Mogi-Coulomb准则的损伤模型能较好的模拟岩石应力应变关系,特别反映了不同应力状态对损伤阀值的影响及岩石低应力水平的线弹性特性。最后将考虑损伤阀值且基于Mogi-Coulomb准则建立的损伤统计本构模型应用于岩石渗透性突变点和对应的临界破坏强度的研究,本模型的预测值与试验值较吻合,表明该模型的合理性和可行性,具有良好的应用前景。     

基于Lade-Duncan强度准则的统计损伤本构模型及其修正研究

在损伤力学理论基础上,根据Lemaitre应变等价性理论,并假定岩石微元强度服从Weibull随机分布,在微元强度度量方法上考虑损伤阀值的影响,结合Lade-Duncan强度破坏准则,建立了统计损伤本构模型。通过岩石三轴应力-应变试验曲线对模型进行验证,拟合效果良好;并针对模型不能反映残余应力阶段特征的不足进行修正。用公式法代替比较法求取损伤修正参数,建立了更加完善的统计损伤本构模型。通过与未修正模型对比发现,修正后的统计损伤模型能更好的模拟岩石破坏全过程的应力应变关系并能表征岩石残余强度特征,从而验证了该模型的合理性和可行性。     

Mohr-Coulomb准则模型的能量描述

以Mohr-Coulomb(M-C)准则的力学模型为基础,建立了材料压缩破坏面上一点的能量函数。该函数的极值条件给出了破坏面的位向,其最大值确定了真实破坏能。真实破坏能和裂纹表面能的能量守恒临界条件导出了一个新的材料破坏强度关系。两向压缩时,这个关系与M-C准则形式上完全一致。在体积变形饱和近似条件下,它与侧限压缩时的M-C准则存在确定性联系。体积应力的引入使这个强度关系克服了经典M-C准则无法考虑到中间主应力对破坏强度影响的不足。理论与试验结果的对比分析表明,M-C准则模型的能量描述具有更好的材料压缩破坏强度预测能力。