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。     

基于主应力σ2σ3为参数的岩石破坏强度准则

本文提出了一种基于中间主应力和最小主应力乘积(σ₂σ₃)为参数的显式岩石破坏强度准则.该准则通过骨架曲线和分支曲线两部分来描述岩石的强度规律.骨架曲线即三轴压缩实验的结果,分支曲线即最小主应力固定的实验结果.通过研究岩石真三轴压缩实验结果发现岩石的破坏强度与中间主应力和最小主应力乘积的平方根■之间存在着较强的相关性,并且平面内骨架曲线和分支曲线在交点处的斜率相等.推导出了在最大主应力和中间主应力平面内,骨架曲线的斜率在交点处是分支曲线斜率的2倍.对于同一种岩石,在最大和中间主应力平面内随着中间主应力和最小主应力的差值达到某个值,所有分支曲线其斜率逐渐衰减为0,岩石的破坏强度达到最大值.基于以上特征,得到骨架及分支曲线的函数形式.本文提出的岩石强度准则经过实验数据的检验,并与其他准则的计算结果进行对比.结果表明本文提出的岩石强度准则可以较好地拟合岩石材料在三轴受压条件下的破坏强度.此外,该强度准则可以用较少的数据拟合出相对比较稳定精确的结果,显示了该准则的稳定性与合理性.     

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。     

完整岩石单轴抗压强度确定方法研究

完整岩石单轴抗压强度是传统和普适Hoek-Brown(HB)强度准则中的关键参数,其与岩石软硬程度和岩石破碎程度具有强关联性,而理想值或理论值严格意义上并不等同于单轴测试值。真值的唯一性确定直接影响HB强度准则的准确性,由此提出一种新的思路解决这一难题。首先明确了岩石软硬程度和岩石破碎程度的确定应基于分布特征而非单一样品,这可使完整岩石单轴抗压强度、岩石软硬程度和岩石破碎程度三个参数力学意义上自洽。进而证实了传统HB强度准则表达式的不确定性,本质原因是三个参数无法从单一曲线中唯一确定,明确问题的关键核心是完整岩石单轴抗压强度值的唯一性。由此提出了确定HB强度准则新的线性解决方案,将三个参数改为两个参数,可简单快速唯一地确定HB强度准则曲线。最后为了提高精度,引入四种误差评判方式:绝对误差绝对值和、绝对误差平方和、相对误差绝对值和以及相对误差平方和,可显著缩小预测值与实验值的偏离误差。新的线性方案匹配任意一种误差形式可确保完整岩石单轴抗压强度的唯一性,研究工作为深入理解HB强度准则提供了新思路。     

岩石统计损伤本构模型与试验

基于Mohr-Coulomb破坏准则以及岩石微元强度服从Weibull函数随机分布假设,通过有效应力原理引入孔隙水压力,构建了新的统计损伤本构模型,该模型可以考虑孔隙体积变化和损伤阀值的影响。此外,提出了一种新的岩石微元强度计算方法。为使模型参数具有明确的物理意义,采用应力~应变曲线峰值点强度确定模型参数m和F0。采用砂岩常规三轴压缩试验对本构模型的合理性进行验证,并在此基础上,分析岩石损伤演化、孔隙率变化规律,探讨围压对模型参数的影响。结果表明,该模型能够较好地反映岩石三轴应力~应变关系。     

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。     

岩石统计损伤本构模型及对比分析

损伤力学是研究岩石破坏过程中本构关系的一种有效手段.假定岩石微元强度分布服从Weibull分布和幂函数分布的概率分布理论,将Drucker-Prager准则作为岩石统计分布变量,同时引入一个能够反映岩石微元破坏部分承载力的修正系数,建立基于不同概率分布的岩石损伤统计本构模型,并用极值法求解模型参数.最后通过理论结果和试验结果的对比分析发现:Weibull分布比较适合于作为岩石微元强度的概率分布函数,而幂函数分布不适合作为岩石微元强度的概率分布函数.     

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤统计分析方法研究

从探讨基于Mohr-Coulomb准则的新的岩石微元强度表示方法及其服从Weibull随机分布的特点出发,基于岩石三轴应力应变试验曲线,建立了反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型．在此基础上,重点研究了Weibull分布参数对岩石损伤软化统计本构模型的影响,并结合岩石三轴应力应变试验曲线的特征,对岩石损伤软化统计本构模型进行了合理修正．与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,能更好地反映工程实际,具有广阔的应用前景。     

岩石极限分析非线性理论及其应用

基于非线性Hock-Brown破坏准则,对均质各向同性的岩石介质建立岩石极限分析非线性理论.根据非线性准则的切线方程,构造静力容许的应力场和机动容许的速度场,在整个应力场和速度场,切线方程的强度参数值保持不变,作用在单位面积的正应力、剪应力不变,但大小未知.在分析上限非线性时,根据切线方程,基于单刚块或多刚块破坏机理,计算外力的功率与内能耗散功率.当岩石在外荷载作用下发生破坏时,外力所做的功率与内能耗散功率相等,以此建立目标函数与约束方程.对目标函数与约束方程进行优化,以此确定切线方程的切点位置和最小能量耗散.在分析下限非线性时,根据切线方程,建立静力容许的应力场.应力场要满足平衡条件、应力边界条件、并不违反非线性破坏准则.根据平衡条件求出下限解与切点位置.应用结果表明,极限分析非线性理论是正确的.     

岩石强度准则理论的探讨

岩石的应力、应变增长到一定程度,岩石就要发生破坏。用以表征岩石破坏条件的函数(应力及应变函数),称为破坏准则或强度准则。强度准则的建立,应反映岩石的破坏机理。岩石的破坏,通常可以分为脆性破坏和延性破坏。前者特点是岩石达到破坏时不产生明显的变形,后者的特点是破坏时会产生明显的塑性变形而不呈现明显的破坏面。岩石之所以能产生脆性或延性破坏,除了受到应力及应力状态影响外,也受到温度、应变率,地质构造等因素的影响,但目前大多数岩石破坏准则仅仅认为与应力或应变状态有关。本文主要针对库仑—纳维叶破坏准则进行探讨。     

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。     

三轴加载过程中大理岩力学及声波响应特征研究

深部地层岩石所处力学环境异常复杂,高应力下岩石力学性能、破坏规律及声波响应特征研究可为深井关键参数科学化设计提供依据。对大理岩开展了不同围压条件下的三轴力学实验,分析了不同围压条件下加载过程中大理岩的应力-应变、声波特征,探讨了强度准则适用性和岩石应力-应变与动态声学响应机制。研究表明,力学加载过程中,岩样波速变化分为“迅速增加-匀速增加-阶梯下降”和“迅速增加-匀速增加-保持稳定-阶梯下降-减速下降”两种类型,在岩样破坏之前,岩样的波速和振幅均有不同程度的减小;随着围压的增加,大理岩抗压强度和弹性模量均增加,岩样破坏形式由劈裂式向剪切式过渡。围压对大理岩次生裂纹的产生有抑制作用,直线型Morh-Coulomb准则和单参数Bieniawski强度准则分别适用于低围压和高围压条件下大理岩的强度特征描述。研究为深井岩石破裂的预测以及强度准则的建立提供了重要理论依据。     

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。     

开挖卸荷洞壁围岩强度变化规律研究

基于非线性Hoek-Brown强度准则,对地下岩体开挖应力重分布后岩体强度的变化规律进行了研究。结果表明,由于应力卸荷洞周一定范围岩体强度发生明显降低,不同部位降低幅值不同,距洞壁位置越远降低越小。岩体表征参数GSI、单轴抗压强度σci降低,卸荷后岩体强度降低,应力扰动系数D降低,岩体强度升高。     

不同围压下花岗岩σ_(cc),σ_(ci)和σ_(cd)的确定

为研究不同围压下裂隙闭合应力阈值σ_(cc),起裂应力阈值σ_(ci)和损伤应力阈值σcd,对高放废物地质处置新疆预选场址雅满苏YM01号钻孔岩心进行了三轴压缩试验和巴西劈裂试验.应用裂隙体积应变模型、移动点回归法和声发射确定了σ_(cc),σ_(ci)和σ_(cd);通过分析不同方法确定各阈值的适用性,优化了一套确定各阈值的综合方法;分析了不同围压下σ_(cc),σ_(ci)和σ_(cd)与围压的关系:σ_(cc)受围压的影响不明显,σ_(cc)=σ_1=50~65 MPa;σ_(ci)为裂隙张拉破坏的起点,起裂强度满足格里菲斯强度理论;σ_(cd)与峰值抗压强度σ_c线性关系明显,损伤强度满足摩尔-库伦强度理论.     

基于RMR与H-B准则估算大型洞室岩体力学参数敏感度分析

利用RMR(岩体质量分级)与Hoek-Brown(H-B)准则估计岩体力学参数可作为大型地下洞室围岩参数确定的有效途径.考虑到输入参数不确定性引起岩体力学参数估计精度受影响的问题,依托白鹤滩水电站地下厂房工程,基于原位测试、室内试验与数值模拟等,研究H-B准则输入参数与估计岩体力学参数间的敏感性关系,并采用敏感度因子定量描述.结果表明,岩体力学参数对输入参数的敏感性排序为RMR>σ_○ci(岩石单轴抗压强度)>m_i(岩石材料常数),当RMR取值误差为±5%时,弹性模量、内摩擦角及黏聚力估计结果分别产生约20%,22%与13%的偏差;当σ_○ci与m_i的测定误差小于±20%时,其对于内摩擦角与黏聚力估算结果的影响分别小于4%与10%.该研究可为类似大型地下洞室工程岩体力学参数估计精度评价提供借鉴.     

考虑中间主应力与渗流作用的巷道稳定理论解

为了探究渗流作用下不同中间主应力对圆形巷道围岩的影响,应用弹塑性力学理论,基于Drucker-Prager屈服准则,推导得出围岩塑性区半径与孔隙水压力之间的关系式;再由极值点失稳理论,确定围岩失稳的判别准则。结合实际工程,分析中间主应力系数对临界水压力的影响,结果表明:中间主应力对临界水压力有较大影响,采用D-P准则时中间主应力系数与临界水压力的关系曲线表现为类抛物线形式。当中间主应力系数取0.8时临界水压力达到最大值10.0 MPa;与基于MC准则的计算结果做对比,发现考虑中间主应力时D-P准则的临界水压力计算结果更能反映岩石多轴力学性能,可应用于较为完整的含水岩层支护设计优化。     

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。     

水泥土强度特性和损伤本构模型研究

为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型,开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验.考察了围压对水泥土力学参数的影响规律,建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则.假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度,建立了考虑围压的统计损伤本构模型.结果表明,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线,且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象.室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似,均随轴向应变增加呈"S"型单调递增.冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加,在轴向应变很小时,损伤变量就达到较大值.