一种考虑主应力空间的岩石非线性真三轴强度准则

为评估岩石的真三轴强度特性,首先根据常规三轴试验岩石强度的变化规律,提出基于偏应力极值的非线性强度准则,并与12种岩石试验强度和4种典型岩石强度准则进行对比,发现该强度准则的预测值与试验强度非常接近,相关性系数R~2均在0.98以上,平均相对误差(MAPE,E_(MAP))均小于4%(除7号岩石为6.83%);该强度准则、指数准则、H-B准则、MM-C准则和D-P准则对所有12种岩石预测E_(MAP)的平均值分别为2.32%、2.43%、5.28%、7.39%和13.74%,说明该强度准则能够很好地预测不同类型岩石的强度,其预测精度略优于指数准则(岩石力学界认为预测精度较高的强度准则),远好于其他3种强度准则。在上述所建常规三轴强度准则的基础上,通过引入中主应力参数和罗德应力参数,构建考虑中主应力效应的真三轴强度准则,并与8种岩石的真三轴试验强度进行对比,该强度准则很好地反映了大主应力随中主应力的增加呈先增大后减小的变化规律,所得R~2均在0.9以上,其中5种岩石的R~2大于0.96;除了13和14号岩石(E_(MAP)分别为7.79%和4.84%),其余6种岩石的平均相对误差E_(MAP)均小于4%,说明该强度准则能够较好地预测岩石的真三轴试验强度,很好地反映了中主应力效应,具有良好的普遍适用性。子午面和偏平面的应力空间特征也说明该强度准则很好地反映了岩石的静水压力效应和中主应力对大主应力的影响规律。     

Failure criterion for soft rocks considering intermediate principal stress

The significant differences between hard rocks(more brittle) and soft rocks(more ductile) may suggest the use of different failure criteria. A strength criterion for soft rocks that includes intermediate principal stress was proposed. The new criterion includes two independent parameters: the uniaxial compressive strength(rci), which can be obtained from common laboratory tests or indirectly estimated by alternative index tests in the laboratory or field; and f(joint), which is used to characterize the rock mass quality and can be easily estimated. The authors compared the predictive capabilities of the new criterion with other criteria using the database of soft rocks under two conditions: with and without triaxial data. For the estimation of triaxial and true-triaxial strengths, the new criterion generally produced a better fit. The proposed criterion is practical for an approximate first estimation of rock mass strength, even without triaxial data, as it balances accuracy(lower prediction error) and simplicity(fewer independent parameters).     

考虑不同中主应力影响的柱孔卸荷缩孔效应分析

为得到考虑不同程度中主应力影响的柱孔卸荷缩孔解析解,对柱孔开挖卸荷过程中一定卸荷程度下的缩孔和塑性变形进行量化预测,采用统一强度理论(unified strength theory, UST)并引入卸荷因子和缩孔系数,推导得到无量纲化的柱孔卸荷缩孔近似解.对比不考虑中主应力影响的大应变解,给出中间主应力影响系数对孔周位移和应力的分布以及土体刚度、黏聚力、摩擦角对卸荷缩孔的具体影响,结果表明:中间主应力影响参数b越大,卸荷缩孔效应越小,其本质是b的增大使初始屈服卸荷压力降低,推迟外围峰值环向应力的出现,有助于减小孔周塑性区;b对孔周径向位移和环向应力的影响不可忽略,而孔周径向应力受其影响较小;土体刚度对卸荷缩孔关系的影响很大,刚度越大,中间主应力对卸荷缩孔的影响越小.根据无量纲化的卸荷缩孔解析解,可对某指定卸荷程度的柱孔孔径变化进行更合理的定量预测,用于指导隧道支护和开挖、桩基开挖卸荷后的承载特性以及钻井稳定性分析的具体实践.     

复杂应力状态下混凝土强度理论研究

混凝土的强度理论是土木、采矿和水利等众多混凝土工程中的安全性和稳定性设计的重要基础理论。对它进行研究具有重要的意义．为此，在双τ^2屈服准则的基础上，建立了两参数双τ^2强度理论，给出了材料的极限强度比，从而说明了不同的材料对应着不同的强度理论．其次，利用两参数双τ^2强度理论分析了混凝土的脆性破坏，并同某些混凝土的实验数据进行了对比，最后，讨论了中间主应力效应，结果表明，运用两参数双τ^2强度理论分析混凝土强度的结果是令人满意的．     

主应力方向和中主应力系数对冻结黏土性状的影响

为研究复杂应力路径下冻土的力学特性,利用冻土空心圆柱仪对饱和冻结黏土开展了定向剪切试验,重点研究了大主应力方向和中主应力系数对饱和冻结黏土应力应变性状的影响.试验结果表明:定向剪切路径下饱和冻结黏土应力-应变曲线基本呈现应变硬化特征,且广义剪应力-应变曲线受扭剪分量的主导.不同大主应力方向下冻结黏土应力-应变曲线水平存在一定差异,当中主应力系数b为0.5和1时广义剪应力-应变曲线水平随着大主应力方向角α的增加而降低.中主应力系数b对冻结黏土扭剪分量的应力应变性状影响相对较小,而对轴向分量与广义剪应力应变性状影响显著.     

考虑中间主应力的深埋圆形巷道弹塑性位移解

平面应变条件下的深埋圆形巷道一般忽略中间主应力的影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异．为了充分考虑中间主应力对深埋圆形巷道的影响,基于平面应变假设与关联流动法则将Mohr-Coulomb准则精确匹配为Drucker-Prager准则,在此基础上推导了理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式结合关联流动法则．不引入任何假设,得出塑性区体积扩容的关系式;进一步推导了考虑中间主应力影响的深埋圆形巷道塑性区应力位移解析式,其中径向应力、切向应力及塑性区半径的表达式与卡斯特奈（Kastner）解完全一致,但卡斯特奈（Kastner）解无法得出中间主应力,而新的位移解析式则与以往的文献完全不同;经与以往文献的位移理论解比较分析知,新的位移解答更加合理．因此,考虑中间主应力的解答为深埋圆形巷道的计算与设计提供更为科学的理论基础．     

脆性岩石真三轴能量强度准则研究

基于岩石材料拉压强度不等和中间主应力对强度影响特点,从可释放弹性能角度出发推导和建立了可考虑中间主应力对岩石破坏弹性能释放影响的真三轴能量强度准则,利用厚壁圆筒试验数据和已有文献真三轴试验数据以及从能量准则参数物理含义三方面分析验证了所建真三轴能量强度准则的合理性及可靠性.结果表明,所建真三轴能量准则能适应于厚壁圆筒及真三轴压力试验的多种复杂应力状态;花岗岩、石灰岩中间主应力影响大于红砂岩、中细砂岩;对同种岩石来说,岩石中间主应力影响系数随应力状态不同而不同,总体变化趋势随中间主应力增加而先增大后减小;岩石能量强度准则与岩石应力状态和材料物理性质密切相关.     

定向剪切应力路径下冻结黏土强度特性试验

为探索考虑主应力轴方向变化等复杂应力路径下的冻结黏土强度特性,采用冻土空心圆柱仪,在温度为-10℃条件下,对重塑冻结黏土开展一系列主应力轴方向固定不变的定向剪切试验,探讨大主应力轴方向角a、中主应力系数b和平均主应力p值变化对冻结黏土强度特性的影响.通过对广义剪应力-广义剪应变曲线的分析,发现a角和p值变化对冻土的强度及破坏应变都有较大影响,随着a角的增加,破坏时的广义剪应力qJ值先增加后减小,最小值出现在a=75°处,随着p值增加,qJ值先增加后减小;b值变化对强度的影响较小,而对破坏应变有较大影响;广义剪应力-广义剪应变曲线均为弹性塑性应变硬化曲线,且初始线性段的极限应变值在0.5%左右,不受应力路径变化的影响.分析应力与应变之间的关系,建立了定向剪切应力路径下冻结黏土的强度模型方程,进而求得广义剪切模量随应变发展的关系表达式,并发现初始广义剪切模量对冻结黏土应变的发展及破坏应变值有较大影响,且存在一临界值,对于冻结黏土,该临界值为6×105k Pa.a角、b值和p值的变化都会对冻结黏土的强度及变形产生较大影响.     

主应力轴循环旋转下原状软黏土临界性状研究

针对在交通、波浪等动荷载下土体所受应力状态具有主应力轴循环旋转的特征,对杭州地区典型原状软黏土开展不排水模拟试验.主应力轴双幅循环旋转的试验结果表明,试样扭剪、轴向应变发展受主应力轴旋转角度的影响,当转角大于一定值时,破坏应变以扭剪应变占主导,反之则要考虑扭剪和轴向等应变的共同影响.在同一旋转频率下,随着剪应力提高,试样破坏应变同步提高,且与破坏振次对数值成线性关系;若剪应力幅值不变,随旋转频率提高,临界破坏应变同步减少,破坏振次大幅提升,两者在对数曲线上亦可用线性关系表示.与等剪应力幅值的主应力轴双幅循环旋转试验结果相比,当单幅循环旋转破坏时扭剪应变很大,且受频率或剪应力幅值影响小,同时最小破坏剪应力也有显著提高.     

基于松动圈理论的软岩大变形隧道锚杆支护优化研究

在高地应力软岩区修建隧道时,由于软岩自身强度低、膨胀性强,又受高地应力挤压,若施工措施不当易发生软岩大变形,给工程建设带来巨大困难。根据围岩松动圈理论,采用统一强度准则,考虑中间主应力的影响,分析围岩应力状态,得到适用于软岩大变形隧道围岩松动圈半径计算公式。对安岚高速谢家坡隧道围岩进行弹塑性分析发现,软岩大变形隧道围岩松动圈沿横断面分布并不均匀,呈边墙大拱顶小的趋势,且随大变形级别的升高和支护反力的减小而增大。结合现场测试得到Ⅱ级大变形松动圈厚度拱顶处为6.5~7.0 m,边墙处为7.0~7.5 m;Ⅲ级大变形松动圈厚度拱顶处为7.5~8.0 m,边墙处为8.0~8.5 m,并以松动圈厚度为依据优化系统锚杆长度。对优化段监测可见,围岩变形显著减小,稳定性有效提高。     

软基上厂房大体积混凝土施工期温度应力仿真

采用有限元法对某软基上厂房混凝土浇筑过程进行仿真计算,分析了基本温控方案混凝土施工期温度及徐变温度应力的详细分布规律.根据仿真分析结果,提出了合理的温控措施并进行复核.然后以此工程为例,通过对地基变模的敏感性计算,研究了地基软硬程度对混凝土温度应力的影响,并给出了软基上大体积混凝土应力分布的一些特殊规律;建议对软基上的厂房大体积混凝土温控问题,应重点关注混凝土浇筑块中心部分的内部最高温度控制,并加强表面保温,特别是蜗壳及尾水管等结构突变及边界条件突变部分的保温.     

不同平均主应力条件下重塑黄土的应力应变特性

利用GDS空心圆柱扭剪仪,在不同平均主应力条件下对青海重塑黄土进行一系列定向剪切试验,研究平均主应力对青海重塑黄土应力应变特性的影响。试验保持中主应力系数b不变,在不同平均主应力条件下,将重塑黄土试样分别进行主应力轴未发生旋转和旋转45°两种剪切破坏应力路径的剪切试验。结果表明：平均主应力和主应力方向角对重塑黄土的强度和变形有着显著影响;重塑黄土在大主应力方向角等于45°剪切破坏时峰值八面体剪应力与平均主应力呈线性关系,重塑黄土破坏时所产生的八面体剪应变发展趋势基本相同;剪切过程中,重塑黄土的大主应变和小主应变成对称发展,破坏时中主应变只有小幅度增长。当八面体剪应力-应变曲线没有出现峰值时,建议采用八面体剪应变为15%对应的八面体剪应力作为重塑黄土的破坏标准。     

岩石的强度准则及中间主应力的影响

Drucker Prager准则和Murrell准则中包含中间主应力 ,但并没有得到真正三轴试验结果的检验 ,也难以表示应力状态对岩样强度的影响 .D P准则与Coulomb准则外接时 ,其三轴伸长的强度可以达到无限 ;与Coulomb准则内接和相切时 ,反映最小主应力的作用偏小而中间主应力作用偏大 .Murrell准则表明岩石在 2个方向承载单轴压缩强度的压应力时 ,在第三个方向还可承载单轴拉伸强度以上的拉应力 ;其反映的最小主应力作用也特别低     

平面应变条件下基于Lade-Duncan强度准则中主应力条件的土压力及其适用性

针对实际工程中大量存在的挡土墙、基坑开挖等平面应变问题,考虑中主应力对强度的影响,将平面应变条件下Lade-Duncan强度准则的中主应力关系代入SMP、Lade-Duncan、AC-SMP和广义Mises强度准则中得到新的平面应变强度准则。据此建立基于各强度准则的主、被动土压力计算公式,进而推广至黏性土,并将主、被动土压力理论计算值与实测值进行对比分析。结果表明,Mohr-Coulomb强度准则因其未考虑中主应力的影响,致使计算结果相比实测情况偏保守;SMP强度准则、Lade-Duncan强度准则考虑到中主应力对土压力大小的影响,计算结果相比Mohr-Coulomb强度准则更接近实测情况;AC-SMP强度准则、广义Mises强度准则在一定内摩擦角范围内可以描述挡土墙的土压力大小,但超出适用范围时,二者均不再适用于描述挡土墙的土压力大小;广义Mises强度准则在适用范围内的计算结果相比SMP强度准则、Lade-Duncan强度准则更接近实测数据。     

岩石双轴压缩试验及装置研究进展

综述岩石双轴压缩研究的试验方法、试验设备和研究成果,指出大部分现有的破坏准则忽视了中间主应力的影响,选用试件尺寸太小以致无法充分考虑尺寸效应,加载头与试件受压面之间存在的摩擦力影响试件破坏形态.河南理工大学和加拿大麦吉尔大学合作设计建造的大吨位等刚度双向加载系统采用柔性加载头,克服了加载过程中加载头与试件间的摩擦力对试件破坏形态的影响,且能对较大尺寸试件进行单、双轴压缩试验.利用该装置对各种岩石材料开展系统的试验研究,有望弥补目前国际岩石力学界对双向受力状态下岩石破坏机理认识的不足.     

岩石材料的双T^2强度理论及其应用

岩石材料的强度理论是土木、矿业和水利等工程的一个重要问题，在双T^2强度理论的基础上，建立了复杂应力状态下的岩石强度准则，分析了岩石的脆性破坏，并同某些岩石实验数据进行了对比，结果表明，T^2强度理论在岩石的强度分析中是令人满意的。     

Principle and practice of coupling support of double yielding shell of soft rock roadway under high stress

In order to ensure the safety and stability of the soft rock roadway under high stress, based on the characteristics of the surrounding rock deformation and failure, this paper presented the support technology “coupling support of double yielding shell”, then gave the design method of inner and outer shells and analyzed the principle and requirements of the support technology by taking the −850 m east belt roadway of Qujiang coal mine as the background. The field application results show that the support technology can control the soft rock roadway deformation better under high stress. The displacement between roadway sides was 851 mm, the displacement of the roof was 430 mm, and the displacement of the floor was 510 mm.     

Investigation of the influence of intermediate principal stress on the dynamic responses of rocks subjected to true triaxial stress state

Precisely understanding the dynamic mechanical properties and failure modes of rocks subjected to true triaxial stress state(σ_1 σ_2 σ_3, where σ_1, σ_2, and σ_3 are the major principal stress, intermediate principal stress, and minor principal stress, respectively) is essential to the safety of underground engineering. However, in the laboratory, it is difficult to maintain the constant true triaxial stress state of rocks during the dynamic testing process. Herein, a numerical servo triaxial Hopkinson bar(NSTHB) was developed to study the dynamic responses of rocks confronted with a true triaxial stress state, in which lateral stresses can maintain constant. The results indicate that the dynamic strength and elastic modulus of rocks increase with the rise of intermediate principal stress σ_2, while the dynamic elastic modulus is independent of the dynamic strain rate. Simulated acoustic emission distributions indicate that the intermediate principal stress σ_2 dramatically affects dynamic failure modes of triaxial confined rocks. As σ_2 increases, the failure pattern switches from a single diagonal shear zone into two parallel shear zones with a small slant. Moreover, a recent triaxial Hopkinson bar experimental system using three bar pairs is also numerically established, and the measuring discrepancies are identified between the two numerical bar systems. The proposed NSTHB system provides a controllable tool for studying the dynamic triaxial behavior of rocks.     

考虑中主应力系数影响的主应力轴旋转下 原状软黏土变形研究

用浙江大学空心圆柱扭剪仪对杭州原状软黏土进行了固结不排水主应力轴旋转试验,试验中保持平均主应力、中主应力系数和切应力不变,进行了应力路径和各应变分量可靠性分析,并在此基础上探讨纯主应力轴旋转对各应变分量、广义切应变和切变模量的影响.研究表明：当中主应力系数等于0.5时,径向应变数值很小,可以忽略不计;轴向应变变化特征与环向应变刚好相反;在各应变分量中扭切应变占主导地位.在低切应力作用下,纯主应力轴旋转产生的应变很小;随着切应力增加,应变分量显著提高;广义切应变在高切应力下才适合选用.主应力轴旋转中切变模量呈“勺”形变化说明土体刚度逐渐降低.研究发现前期主应力轴旋转和高切应力作用对土体后期主应力轴旋转产生的变形有很大的影响.