平面应变状态下广义非线性统一强度理论的研究

基于广义Hoek-Brown准则的非线性统一强度理论不仅考虑了中间主剪应力效应及其区间性,而且将统一屈服准则、统一强度理论、岩石的非线性统一强度理论联系起来,对在三向应力状态下岩石的破坏特性比较适用。本文利用广义非线性统一强度对平面状态下岩石的强度破坏进行了研究,得到了基于广义非线性统一强度理论的包络线方程,分析了有效剪应力和内摩擦角随有效正应力的变化规律,讨论了中间主剪应力效应参数对剪切破坏包络线及内摩擦角的影响。参数分析结果表明:在平面应变状态下,有效剪应力随着中间主剪应力效应参数的增大而增大,而内摩擦角随中间主剪应力效应参数的增大趋于稳定。     

金沙江中游凝灰岩强度参数综合识别研究

凝灰岩是一种典型的分布不规律、易崩解、难取样火山碎屑岩,其强度参数难以准确评估。本文依托华丽高速公路金沙江特大桥工程,判定丽江岸为反倾坡,为陡倾结构面或卸荷裂隙带剪入、缓倾结构面剪出组合滑移模式,破坏规模有限;华坪岸为顺层坡,为陡倾结构面或卸荷裂隙带剪入、凝灰岩层主滑、缓倾结构面剪出组合滑移模式,破坏规模较大。T3和T2凝灰岩软弱层为关键层,其强度参数对岸坡稳定性影响很大。针对此种情况提出了经验、试验、数值反分析相结合综合识别凝灰岩强度参数的方法。利用这种方法,在工程岩体分级标准GBT50218-2014、水利水电岩石力学参数手册、室内外试验、数值反分析的基础上,综合确定了凝灰岩带泥化参数为内摩擦角24°、粘聚力50k Pa、泥化率60%;凝灰岩层内摩擦角29°、粘聚力90k Pa,在工程经验取值的范围之内;玄武岩内摩擦角36°、粘聚力600k Pa,在水利水电工程岩石力学手册推荐值范围之内;IV陡倾结构面强度参数内摩擦角35°、粘聚力150k Pa,符合一般结构面试验经验值。经计算复核,埋深浅、局部分布的T3凝灰岩主滑模式下安全系数为1.65~2.15;埋深大、分布连续的T2凝灰岩主滑的安全系数为1.32~1.67,T2主控下的安全系数要比局部分布T3情况小约0.33~0.48,平均降低约21%。虽然T2主控下的最不利工况安全系数也大于1.30,但是在实际施工和运行过程中仍需关注T2凝灰岩层可能形成的深大滑移问题。类似和临近工程可参考该凝灰岩强度参数或强度参数综合识别方法。     

岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型研究

在总结评述现有岩体结构面本构模型的基础上,将非线性弹性模型和弹塑性模型结合起来,并采用起伏角磨损演化方程来定量描述结构面的磨损软化,建立了岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型.利用新建立的模型对岩体结构面直剪试验进行了预测,模型预测结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性和模拟能力.该模型概念清晰,参数易于确定,能够合理描述岩体结构面的非线性变形、塑性软化、弹塑性耦合、剪胀和磨损等主要力学特性.     

对光滑结构面所具特性的一些新认识

本文采用剪切试验装置，探讨了复剪、反复加卸剪应力、含水率、正应力和岩性对光滑结构面力学特性的影响，得出了初剪与复剪时、水饱合状态下与干燥状态下的光滑结构面抗剪强度都具有峰值转换性，复杂加载比简单加载的抗剪强度大。所得结论对于进一步认识岩体结构面的基本力学特性有重要作用．     

基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷;基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式;基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型,建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型;利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明,试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大,随着节理长度的增加而减小。     

单轴压缩条件下溶蚀岩体力学特性数值试验研究

工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验，导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难，因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征，采用三维颗粒流离散元法，通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验，进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明：采用改进平行黏结模型，基于细观矿物特征，通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型；加载前期，岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹；随加载进行，岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏，其微裂纹呈指数增加，而结构面微裂纹先激增后趋于稳定；相同轴向应变时，岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加，而结构面剪切微裂纹减少；岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段，其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏；溶蚀使岩体强度降低，溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。     

开挖卸荷条件下深部圆形洞室各向同性围岩分区破裂化机理

论文提出了一种静水压力条件下动态开挖卸荷对深埋圆形洞室各向同性围岩分区破裂化影响的力学模型,获得了动态开挖卸荷条件下深埋圆形洞室围岩的弹性应力场,确定了卸荷速率和岩体动态力学参数对深埋洞室各向同性围岩分区破裂化现象的影响.利用动态Hoek-Brown准则,获得了围岩破裂区和非破裂区的数量和宽度.数值计算结果表明卸荷速率和岩体动态力学参数对破裂区与非破裂区的数量和宽度有较大影响.     

某水电站坝基岩体结构面室内大型直剪试验研究

岩体结构面的抗剪强度是表征岩体强度的一项重要参数,但由于原位试验受场地等诸多因素影响,难以大规模的开展,本文提出在室内用结构面大型剪切试验开展结构面的剪切特性研究,以某水电站坝基砂岩岩体中的硬性结构面为研究对象,取得了较好的成果。试验表明:结构面的多组剪切变形曲线具有一定的应变硬化的特征;达到峰值剪切强度时的剪切位移普遍较大,在8.9mm～44.5mm之间;砂岩中硬性结构面光滑面的“基本摩擦角”为31.4°,结构面“平均起伏角”为6.3°。     

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。     

北京晓幼营板理化岩体结构面强度的原位测试

岩体强度很大程度上取决于结构面的强度,板理化岩体尤其如此。通过原位测试直接获得岩体结构面的强度参数对于岩体稳定性分析和工程设计都具有重要意义。为了解板理化岩体板理结构面的强度性质,选择北京房山区晓幼营白云质板理化岩体进行了结构面强度的原位测试研究。鉴于传统岩体原位直剪试验成本高和操作难的情况,在掌握北京地区构造应力资料的基础上,在试验中考虑岩体中板理结构面的产状与构造应力方向的关系,提出了一套利用地应力提供原位试体剪切面法向力的测试分析方法:开挖出不同方向、不同解除状态的3个试体(试坑); 试坑中两个平行的解除面与原岩之间形成一定距离的空间,自然构成了施加水平试验荷载的反力框架,从而免除了传统试验中笨重的试验反力装置。由于解除面组合的变化,试体受到的构造应力状态有相应的变化,与试验荷载叠加后在预定剪切面上形成了不同大小法向力和切向力。上述方法免除了笨重的反力装置,取得了一定的实验效果,确定了被测岩体结构面的强度参数:黏聚力c和摩擦角φ,对原位岩体结构面强度测试方法进行了一次有益的新尝试,得到的岩体结构面的强度参数为类似板岩地区大型输电线路塔杆地基设计及岩体稳定性分析提供了参考。     

广义非线性强度理论在岩石材料中的应用

在已提出的广义非线性强度理论的基础上，结合岩石材料的力学特性，建立了岩石广 义非线性强度理论，该理论在$\pi$平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则 之间的光滑曲线，在子午面上的破坏函数为幂函数曲线. 通过已有不同岩石的真三 轴试验数据对岩石广义非线性强度理论的验证表明，岩石广义非线性强度理论可以 广泛地适用于各类岩石，描述其$\pi$平面上及子午面上的非线性强度特性；并利 用5种不同类型岩石的真三轴试验结果对岩石广义非线性强度理论和Hoek-Brown准 则进行比较,反映了所提岩石广义非线性强度理论的优越性.     

基于指数准则在莫尔空间对岩石剪切强度的研究

岩石是多种矿物颗粒构成的天然材料,内部存在不同尺度的孔隙、裂隙等损伤;岩体工程设计及灾害防治所使用的强度准则仍在研究之中.材料的黏结和摩擦在局部不能同时存在,线性的Coulomb准则仅在小范围内近似描述圆柱试样的常规三轴强度,众多非线性强度准则只是经验公式而缺乏物理背景. 作者提出的指数准则可描述岩石剪切破坏时强度与围压的关系;基于对11组试验数据的拟合结果在莫尔应力空间分析黏结力和摩擦力的变化特征:岩石承载的剪切力存在上限即材料的真实黏结力c₀;在试验范围内莫尔概念的内摩擦力达到约为0.38 c₀的峰值,且黏结力在其附近相交. 材料真实黏结力与正应力无关,因而名义黏结力表征了完好材料剪切破裂的面积;基于裂隙面积计算的等效摩擦因子随正应力降低,意味着裂隙滑移的爬坡角减小,而后者取决于正应力与真实黏结力的比值. 等效摩擦因子与指数准则的材料参数具有确定关系,体现了岩石在压应力作用下剪切破裂的物理背景.      

基于GSI的锦屏地下厂房岩体参数研究

工程开挖卸荷后岩体参数研究一直是工程界关注的焦点,是稳定性评价的基础性工作。本文以锦屏地下厂房开挖工程为背景,通过对上下游边墙不同桩号段开挖揭露的岩体进行工程地质岩组划分,进行了开挖后岩体质量评价并对其进行分类,通过在GSI(Geological Strength Index)评价体系中引入Jv(节理数/m³),使评价体系相对合理化,经回归分析,对不同风化程度的岩体进行了力学参数求解,发现内聚力及内摩擦角的计算值与建议值吻合较好。     

岩土的一种强度准则及其变换应力法

基于岩土摩擦性,假设岩土破坏是由其物理空间内特征面上的应力比决定,提出了等效应力比的概念,即物理空间特征面上的剪应力合力与正应力合力的比值.在二维条件下,等效应力比可表示为σ-τ坐标系下与摩尔圆相切的直线扣除截距正切值;在三维条件下,假设在XYZ空间内存在一三维物理空间平面,此三维空间特征平面的等效应力比为影响材料强度特性的决定性因素,基于上述三维空间特征面建立了强度准则并称之为a准则.SMP准则以及广义Mises准则都是a准则的特例,当二维坐标中的截距为零时,则强度准则退化为SMP(spatially mobilized plane)强度准则,而当正切角为零时,则强度准则退化为广义Mises准则.而当截距与外切角均不为零时,则强度准则为介于上述两者之间的一种强度准则,在偏平面上为介于SMP曲边三角形与广义Mises圆形之间的曲边三角形.在子午面上,采用考虑岩土压剪耦合的屈服准则,破坏准则采用幂函数表达式.在偏平面上提出了基于a准则的形状函数,并采用真三维应力状态表示的破坏强度准则表示在三轴压缩路径下以p,q二维应力变量表达的准则公式,推导得到了基于a准则的变换应力公式,可简单地将一般以p,q为基本变量的二维模型转变为三维应力模型.通过强度以及多种应力路径的测试对比,验证了a准则及基于该准则的变换应力公式的合理性.     

ANISOTROPIC STRENGTH CRITERION BASED ON T CRITERION AND THE TRANSFORMATION STRESS METHOD 1)

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.     

基于t准则的各向异性强度准则及变换应力法

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

Similarity solutions for granular avalanches of finite mass with variable bed friction

This paper continues a series of studies on the plane flow of a pile of cohesionless granular material down a rough inclined plane. Internal and basal friction laws are assumed to obey the Mohr-Coulomb yield criterion but in contrast to previous investigations the angle of friction at the bottom of the pile is considered to depend on the position or on the velocity or on both. Similarity, i.e. shape preserving solutions are constructed. The depth of the pile and the profile of the total minus the centre of mass velocity are determined analytically, but the total length and the position of the centre of mass are calculated numerically. If the basal friction angle is constant, the centre of mass moves with constant acceleration and the length of the pile extends monotonically. These motions change, when the angle of friction varies along the pile — the length of the pile may extend, contract or remain stationary and the centre of mass motion may decelerate or even reach steady state. Eight special cases are exhibited which demonstrate the influence of the friction law on the speed and spread of the pile.     

一种适用于岩土的扩展强度及屈服准则

土壤材料是一种典型的摩擦型材料,然而天然岩石却具有一定的凝聚力,而金属材料则完全是凝聚型材料. 在分析三种典型的材料强度准则表达式基础上,即SMP,Lade-Duncan以及广义Von-Mises准则,通过利用应力张量的不变量表达形式,提出了一种扩展准则即VML准则,该准则能够分别退化为上述3种典型准则. 在偏平面上,新准则能够描述从曲边三角形到圆形在内的多种开口形态;在子午面上,采用幂函数作为破坏准则公式,能够描述静水压力对于强度特性影响的非线性性质. 而对于土壤的屈服性质,岩土材料具有典型的压剪耦合特性,因此,为了描述剪切与等方向压缩两种路径下的体积耦合现象,采用水滴型屈服面作为屈服准则. 对于偏平面上的截面形状,讨论了给定球应力下偏应力强度值的分布形式及特点,讨论了应力罗德角对于偏平面上强度曲线的凹凸性的影响. 最后,通过多种材料的破坏与屈服试验成果,用所提新准则进行了验证. 通过强度以及屈服特性测试对比,验证了所提VML准则的合理性.