（工程力学专业论文）高地应力下岩石卸载破坏机理及其应用研究.pdf

山东火学博士学位论文 摘要 岩体的变形破坏与其所受荷载状态和赋存环境密切相关，加、卸载均能引起 岩体的变形和破坏，应力路径不同导致岩体的变形和破坏过程也不同。基础工程 开挖时为卸载，建筑物建成后转为加荷，边坡工程主要为卸载；地下工程中二次 应力场中切向应力为加载，径向应力为卸载。 开展岩体卸载破坏机理的研究，不但对于揭示卸载岩体的力学行为及其破坏 的力学机理、完善和发展岩体力学理论、研究人类工程活动诱发的地质灾害机理 等方面均具十分重要的理论意义，而且对于岩体工程实践也具有重大的经济效益 和很高的实用价值。十多年来，随着岩石力学的深入发展以及工程建设的需要， 岩石卸载试验的研究己在一定程度上得到了开展，在卸载岩石的变形破裂特征， 强度与应力路径的关系等方面取得了一些成果，为岩体在卸载状态下的变形破裂 性质的研究提供了基础。 本文以锦屏水电站的大理岩为主要研究对象，在大量试验的基础上，主要进 行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 在m t s 电液压伺服控制刚性试验机上对大理岩进行了单轴压缩试 验二不同围压下常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验，得到大理岩在不同的试 验方式下表现出不同的强度特性和变形特性，主要表现为：无论是加载还是卸载， 围压对岩样的轴向承载力都有较大影响；无论是峰前还是峰后卸围压，岩样都表 现出脆性破坏的特征，破坏时试样的侧向应变约为轴向应变的两倍，而常规三轴 试验试样破坏时侧向应变与轴向应变大致相等；与常规三轴试验相比，卸围压更 容易导致岩石发生破裂，其破坏程度也更为强烈，而岩样破坏表现出的脆性峰前 卸围压比峰后卸围压又更为强烈。为建立大理岩的卸载屈服准则和弹塑性损伤本 构模型提供了必要的试验资料。 ( 2 ) 根据试验数据分别作出了常规三轴试验、峰前和峰后卸围压试验的莫 尔强度包络线并用进行拟和。在卸围压试验的基础上，提出了幂函数型莫尔强度 准则，并与双参数型莫尔强度准则和抛物型莫尔强度准则作了对比分析，得出幂 函数型莫尔强度包线与试验得到的莫尔圆能较好地相切。作出了幂函数型莫尔强 度准则在7 1 平面上的破坏曲线。 山东大学博士学位论文 ( 3 ) 从孔隙度的基本概念出发，定义了材料的损伤变量，以幂函数型莫尔 一 强度准则为屈服条件，采用相关联流动法则，建立了大理岩卸载破坏的弹塑性损 伤本构模型，并将模型编制成用户子程序以实现与a b a q u s 的连接。 ( 4 ) 基于大型通用有限元软件a b a q u s 提供的用户自定义材料子程序接口 ( u m a t ) ，通过二次开发，在a b a q u s s t a n d a r d 模块中实现了本文建立的大理 岩卸载破坏的弹塑性损伤本构模型，分析了锦屏水电站引水隧洞的稳定性，并与 a b a q u s 原有的莫尔一库伦强度准则计算的结果做了对比分析，进一步验证了 模型的正确性。 关键词：高地应力：峰前卸围压；峰后卸围压；卸载；本构 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo fr o c km a s si sc l o s e l yr e l a t e dt ol o a d i n gs t a t u sa n d i t ss u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t 1 0 a d i n ga n du n l o a d i n gc a ni n d u c e dr o c km o s sd e f o r m e d a n df a i l u r e t h ed i f f e r e n ts t r e s sp a t h sc a u s er o c km a s si nd i f f e r e n td e f o r ma n df a i l u r e p r o c e s s f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gi su n l o a d i n ga se x c a v a t i n g ，i ti s l o a d i n gw h e n s t r u c t u r ei s b u i l t s l o p ee n g i n e e r i n gm a i n l yi su n l o a d i n g t h et a n g e n ts t r e s so f u n d e r g r o u n de n g i n e m i n gs e c o n d a r ys t r e s sf i l e di s l o a d i n g , t h er a d i a l s t r e s si s u n l o a d i n g r e s e a r c ho nr o c km a s s u n l o a d i n gf a i l u r em e c h a n i s mh a sv e r yi m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et ou n l o a d i n gr o c km a s sm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n di t sf a i l u r e m e c h a n i c a lm e c h a n i s m ，d e v e l o pr o c km a s st h e o r y , s t u d yo ng e o l o g i c a ld i s a s t e r i n d u c e df r o mm a n k i n de n g i n e e r i n ga c t i v i t y i th a sg r e a te c o n o m i cb e n e f i ta n dh i g h l y p r a c t i c a lv a l u e st or o c km a s se n g i n e e r i n gp r a c t i c e s i nt h ep a s tt e ny e a r s ，w i t ht h er o c k m e c h a n i c sd e v e l o p m e n ta n dt h en e e do fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e ，r e s e a r c ho nr o c k u n l o a d i n gt e s th a dd e v e l o p e di ns o m ed e g r e e s o m ea c h i e v e m e n th a do b t a i n e di n u n l o a d i n gr o c kd e f o r m i n gd a m a g ec h a r a c t e r , t h er e l a t i n go fs t r e n g t ha n ds t r e s sp a t h s ， w h i c hp r o v i d eb a s i st or e s e a r c ho nr o c km a s sd e f o r m i n gd a m a g ep r o p e r t yu n d e r u n l o a d i n gs t a t u s b a s e do np l e n t yo ft e s t s ，t h em a r b l ef r o mj i n p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o ni ss t u d i e d t h ea c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n i a x i a lt e s t ，t r i a x i a lt e s t ，p r o - p e a ku n l o a d i n gc o n f i n i n gt e s ta n dp o s t - p e a k u n l o a d i n gt e s ta r ed o n ei nt h em t sm a c h i n ea n dg o tt h a tm a r b l eh a sd i f f e r e n ts t r e n g t h a n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e ri nd i f f e r e n tt e s tw a y s t h em a i nm a n i f e s t a t i o n si st h a t s a m p l e sa r ea l lb r i t t l ef a i l u r ei np r o - p e a ka n dp o s t p e a ku n l o a d i n gc o n f i n i n gt e s t c o m p a r et oc o n v e n t i o n a lt r i a x i a lt e s t ，u n l o a d i n gc o n f i n i n gm o r ei n d u c e dr o c kf a i l u r e a n dt h ef a i l u r ed e g r e ei sm o r es t r o n g l y t h eb r i t t l ec h a r a c t e ri np r o p e a ku n l o a d i n g c o n f i n i n gt e s t i sm o r es t r o n g l yt h a ni n p o s t p e a ku n l o a d i n gc o n f i n i n gt e s t t h e s e p r o v i d en e c e s s a r yt e s td a t at ob u i l d i n gm a r b l eu n l o a d i n gy i e l d i n gc r i t e r i o na n d e l a s t i c p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l 山东大学博士学位论文 ( 2 ) b a s e do nu n l o a d i n gc o n f i n i n gt e s t s ，p r o v i d e dp o w e rf u n c t i o nm o h rs t r e n g t h c r i t e r i o na n dc o m p a r e dt oh y p e r b o l i ca n dp a r a b o l i cm o h rs t r e n g t hc r i t e r i o n 。t h e f a i l u r ec u r v eo fp o w e rf u n c t i o nm o l a rs t r e n g t hc r i t e r i o ni n 7 p l a n ei sd o n e ( 3 ) f r o mp o r o s i t yc o n c e p td e f i n e dd a m a g ev a r i a b l eo fm a t e r i a l u s i n gp o w e r f u n c t i o nm o l a rs t r e n g t hc r i t e r i o na n da s s o c i a t e df l o wr u l eb u i l te l a s t i c p l a s t i cd a m a g e c o n s t i t u t i v em o d e lo fm a r b l eu n l o a d i n gf a i l u r e f o r t r a nw a su s e dt op r o g r a m u s e l ； s u b r o u t i n et oc o n n e c tw i t ha b a q u s 4 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ec o n s t i t u t i v em o d e li sc o n n e c t e dt ot h e c o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u sb yu s e r s u b r o u t i n e s ，a n d a n a l y z e dt h er o c km a s s ss t a b i l i t yo fj i n p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o n sd i v e r s i o nt u n n e l a n dc o m p a r e dt ot h er e s u l to fm o h r - c o u l o m bs t r e n g t hc r i t e r i o n i ts h o w st h a tt h e p r o p o s e dc o n s t i t u t i v em o d e li nt h i ss t u d yi ss c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e i v k e y w o r d s ：h i g hi n 。s i t us t r e s s ；p r o - - p e a ku n l o a d i n gc o n f i n i n g ；p o s t - p e a ku n l o a d i n g c o n f i n i n g ；u n l o a d i n g ；c o n s t i t u t i v e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 ， 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 牡师签名： 山东大学博士学位论文 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 我国西部地区山高谷深，地势异常陡峻，西部跨流域调水工程和引水发 电工程具有超长、超埋深、超高地应力、超高水头的特点，是水电工程重点 难点所在，其突出问题表现在深部围岩赋存环境复杂，且随着工程深度增加， 地应力、温度和地下水渗透压将显著增加。西部已建或将建的拉西瓦、二滩、 天生桥等水电工程都会遇到高地应力问题，甚至在浅表的大坝建基面的开挖 时，都会发生由于高地应力释放产生的表面岩体成层剥落现象。西部地区的 特殊地质、地形条件使得西部水电资源开发中地下深埋工程量很大。鲁布革 地下电站、二滩电站等工程的实践表明：高地应力地区的岩体在卸载作用下 出现膨胀脆碎、裂隙架空等物理一力学现象，这些宏观现象会对岩体的力学 性状有着及其重要的影响，工程开挖所诱发的卸荷裂纹，具有平行于临空面 的定向性特征，并经常会滞后发生，这种因卸载诱发的裂隙常与原有的节理 裂隙相组合，成为工程潜在的隐患，目前国内外在这方面还缺乏系统的研究， 但这个问题的重要性是无庸置疑的。 与国内外开展的一般工程节理岩体大规模力学试验、数值分析和现场试 验相比，目前，国内外对高地应力地区的深埋长大隧道在高水头作用下的长 期稳定性、工程开挖期的卸载力学特性机理的许多关键基础性问题的研究尚 属起步阶段。如：高应力条件下岩石在卸载条件下的损伤破坏特征；高地应 力条件下深埋长隧道的支护时效性问题等有关水利水电工程长期稳定性的 关键科学问题尚未得到很好解决，这些尚未解决的技术难题将严重影响到西 部重大工程的建设规模和速度。因此，结合雅砻江流域开发锦屏一、二级电 站建设的特殊工程地质环境，对深埋隧道在高地应力、高水头作用下的岩体 非线性力学特性、卸载损伤机理等开展系统深入的研究是工程勘察、设计荷 施工中必须面对的挑战，也是西部资源开发十分迫切需要解决的重大工程关 键技术问题，而且对促进我国西部水能开发利用、推动西部经济发展至关重 要。 山东大学博士学位论文 岩体的变形破坏与其内在结构和所处的应力环境密切相关，按所施加应 力的方式，可分为加载和卸载两种变形破坏【l 】。岩体工程具有开挖卸载、岩 体变形损伤、岩体参数衰变劣化等动态因素，卸载动态特性是岩体工程十分 重要和本质的力学现象。常规加载岩体力学是研究基于原地质条件下，采用 传统材料力学的方法，对未扰动过的岩体进行研究和分析，而岩体工程开挖 卸载、岩体劣化等动态因素则被忽略。岩体卸载条件下的力学特性，包括卸 载本构关系、卸载力学参数、岩体的破坏机理、破坏准则和分析方法等方面， 都与加载条件下的力学特性有重要区别。因此在岩体工程及其力学研究中， 对此不同力学条件，应予以严格的区别。 关于岩体在加载条件下变形破坏特性的研究，人们已经做了大量的工 作，建立了一整套行之有效的试验及理论分析方法，并已应用于工程实际， 取得了大量研究成果。而关于岩体在卸载条件下变形破坏的研究，由于问题 的复杂性，尚处在初级阶段。但由于岩体卸载破坏机制研究的复杂性，已有 的成果是不全面的，如卸载岩体的变形破裂性质、破裂体系等均有待进一步 深入研究，尤其是现有的研究成果多局限于岩石力学的试验方面，对于自然 界非贯通裂隙岩体在开挖卸荷下的变形破坏性质的研究成果较少。但岩体是 处于一定的地质环境、具有一定结构的地质体，其变形破坏规律有别于完整 的岩石材料，其变形破坏不仅受控于岩石的性质及其赋存环境，而且与岩体 的结构密切相关。因此，现有的研究成果还不能满足岩体工程活动的需要。 近年来，一些大型开挖工程岩体的变形破裂特征，以及水电工程勘测对一些 强烈剥蚀卸载地区河谷岩体变形破裂结构的揭示，为研究岩体在卸载状态下 的变形破裂性质提供了条件。因此，加强复杂卸载条件下岩体破坏机制的研 究，使岩体工程力学状态的分析更符合工程实际，有着重要的理论与实际意 义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高地应力 高地应力问题是危及工程岩体安全的主导因素，国内外许多重要岩石工 2 山东大学博士学位论文 程均曾经或正在不同程度地受到高地应力的困扰，因此，高地应力问题已引 起国内外岩石力学与工程学界的极大关注并予以深入研究【2 卜【14 1 。在中国( 尤 其是西部广大地区) ，如水电工程中的渔子溪、拉西瓦、二滩和锦屏等水电 站，以及矿业工程中的开滦赵各庄煤矿、金川镍矿等；在国外，日本的锅立 山隧道和平石线隧道等，奥地利的塔威龙隧道和刚史塔英隧道，阿尔贝格隧 道和陶恩隧道，南非的许多金矿，前苏联以及其它欧洲国家的许多地下工程。 在所有岩石工程中，矿业工程对高地应力最为敏感，因为深部地下采场的地 应力更大，矿山巷道又处于频繁的采动影响之下，加之深部地质条件与地表 有着很大的差别，开挖将引起很大的应力集中和应力释放，并将产生过大的 变形，而且其横向和纵深均随采矿进程而不断变化。但是，由于岩体的复杂 性和各种地质环境条件的影响，高地应力问题研究尚欠全面深入，高地应力 的含义至今还无统一认识，许多学者从不同的角度分别提出了高地应力的判 定方法【2 卜【1 9 1 。例如，工程事件中往往将大于2 0 - - - 3 0 m p a 的硬质岩体内的初 始应力称为高地应力。法国隧道协会、日本应用地质协会和前苏联顿巴斯矿 区等则采用岩石单轴抗压强度( 兄) 和最大主应力q 的比值r 。0 - 1 ( 即岩石 强度应力比) 来划分地应力级别( 见表1 1 ) 。这样划分和评价的实质是反应 岩体承受压应力的相对能力。我国的陶振宇( 1 9 8 3 ) 对高地应力给出了一个 定性的规定，及所谓高地应力是指其初始应力状态，特别是它们的水平初始 应力分量，大大超过其上覆岩层的岩体质量。这一定性规定强调了水平地应 力的作用。天津大学薛玺成( 19 8 7 ) 建议用下式来划分地应力量级： 肛每 式中：厶一实测地应力的主应力之和； 耳一相应测点的自重应力主应力之和； 刀一比值。 薛玺成等人的地应力分级方案见表1 2 。 中华人民共和国技术监督局、中华人民共和国建设部1 9 9 4 年联合发布 的岩土工程勘查规范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 附录二中也采用岩石强度应力比 3 山东大学博士学位论文 ( 吃o r l ) 来划分高地应力级别，规定：r 6 o r l = 4 7 为高地应力，r 6 o r l 2 n = 1 时为纯在应力场中有3 0 5 0 是构造5 0 以上的地应力值 说明 自重应立场 应力产生的，其余为重力场应力 是由构造应力产生的 实际上，高地应力是一个相对的概念，并且与岩体所经受的应力历史和 岩体强度、岩石弹性模量等诸多因素有关。孙广忠曾指出( 1 9 9 3 ) 强烈构造 作用地区，地应力水平与岩体强度有关；轻缓构造作用地区，岩体内储存的 地应力大小与岩石弹性模量直接有关，即弹性模量大的岩体内地应力高、弹 性模量小的岩体内地应力低。孙广忠并提出了高地应力地区的六大地质标 志：围岩产生岩爆、剥离；收敛变形大；软弱夹层挤出；饼状岩心；水下开 挖无渗水；开挖过程有瓦斯突出。 1 2 2 卸载试验研究现状 过去，国内外对岩体加载力学状态的研究较多，并且对岩体陡高边坡这 种卸荷力学状态的研究也是采用常规的加载方法进行研究的。在研究过程中 所采用的力学参数是用加载的试验方法得到的，并且认为它们在岩体开挖卸 4 山东大学博士学位论文 荷过程中是保持常量不变的。实际上，岩体的力学特征及其参数随着岩体受 力状态而不断变化。由于上述卸载岩体特殊的力学条件，对卸载岩体采用卸 荷岩体力学理论，应用卸载本构关系、分析方法及其参数对开挖卸载岩体进 行分析，从理论上应更加符合工程实际。 s w a n s o n 等【2 4 1 ( 1 9 7 1 ) ，c r o u c h t 2 5 1 ( 1 9 7 2 ) 利用常规三轴仪分别研究了 卸围压对岩石强度的影响。他们的结论是：应力路径对岩石强度没有影响。 陈旦熹等【2 6 】( 1 9 8 2 ) ，吴玉山等【2 7 】( 1 9 8 4 ) 分别研究了卸围压的应力路 径对岩石强度和变形特征的影响。他们都认为，应力路径虽然对强度的影响 不明显，但对岩石的变形特征却有较明显的影响。 许东俊等【2 8 】( 1 9 8 6 ) 在真三轴应力状态下进行了不同应力路径的岩石 变形和破坏试验。试验结果表明：岩石的强度、延性、脆性、体积变化和破 坏前兆都与应力路径有关，三个主应力的变化都能引起岩石变形和破坏。 尹光志等【2 9 1 ( 1 9 8 7 ) 根据矿山生产中出现的三种应力变化，利用真三 轴压力装置对砂岩和石灰岩的强度特性进行了研究。试验结果表明：岩石的 强度特性是与应力变化有关的。 h u d s o n 3 0 1 ( 1 9 8 9 ) 将完整岩石的应力一应变全过程曲线与地下洞室开 挖致使岩体卸荷破坏的过程联系起来。 l i n gj i a nm i n g l 3 l 】( 1 9 9 3 ) 对节理岩体模型在卸荷过程中的损伤断裂及 破坏特性进行了试验研究。结果表明：节理岩体的卸荷损伤非常显著，损伤 累积速率较加载情形更快，卸荷损伤破坏的形式仍表现为原生裂纹不稳定扩 展导致脆性断裂，但破坏形态更具有突发性。 李天斌等【3 2 1 ( 1 9 9 3 ) 对玄武岩卸荷状态下的变形和破坏特性进行了研 究。结果表明：卸荷状态下，随着破坏时围压的增大，试样破坏形式逐渐由 张性破坏过渡到张剪性破坏，且张剪破裂角也随之增大；卸荷较加荷岩石的 破坏程度更为强烈，沿卸荷方向的扩容也更强烈。 吴刚【3 3 卜【3 7 1 ( 1 9 9 5 ，1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 采用与工程实际相对应的卸荷方式， 在真三轴应力状态下分别对红砂岩和完整岩体模型试样进行了卸荷破坏试 验，研究了其在卸荷条件下的变形和破坏特性，比较了不同卸荷方式下试样 的变形和强度特征及加卸荷历史对变形、强度、破坏形态和声发射等的影响。 5 山东大学博士学位论文 周维垣等3 8 1 ( 1 9 9 7 ) 对岩石边坡的卸荷和流变作了非连续变形分析， 提出了开裂卸荷条件下岩石的本构关系和计算方法，并应用于工程实际设 计。 哈秋聆3 9 】( 1 9 9 7 ) 提出卸荷非线性岩石力学的概念，指出用加载岩石 力学方法不能反映岩体的实际力学状态，采用卸荷非线性岩石力学方法对自 然边坡及人工边坡的分析实例表明，计算结果与实际相吻合。 尤明庆等1 4 0 】( 1 9 9 8 ) 对大理岩进行了三轴卸围压试验，分析了岩石强 度与试样弱化破坏间的关系，以塑性变形量和本征强度统一研究了三轴压缩 和卸围压两种力学过程，提出以材料弱化模量来描述岩样的本征强度降低， 指出循环加卸围压会造成本征强度的降低。 王贤能等【4 1 】( 1 9 9 8 ) 指出，岩爆特征与岩石卸荷破坏特征密切相关。 赵明阶【4 2 】( 1 9 9 9 ) 从岩石的变形特性出发，给出了岩石在单轴加载、 卸载和重加载过程中岩石声学特性的理论模型；初步尝试了运用线弹性力学 理论详细推导了岩石在常规三轴卸荷条件下的变形计算解析式。2 0 0 2 年1 2 9 】 基于压剪裂纹模型，推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形，建立了一 种岩石三轴卸荷的本构模型。 任建喜等f 4 3 卜f 4 习( 2 0 0 0 ) ( 2 0 0 3 ) 利用c t 专用岩石三轴试验加载设备， 完成了考虑孔洞损伤的砂岩试样及单一裂隙花岗岩在卸围压应力作用下的 损伤扩展规律c t 分析试验，得到非常清晰的卸围压破坏全过程中裂纹发展、 贯通到破坏等各个阶段的c t 图象。2 0 0 4 1 2 2 j 年完成了具有单一裂纹的裂隙 岩石在负温条件下的加卸载损伤破坏机理c t 实时对比试验研究。分析了冻 结裂隙岩石加卸载损伤全过程的c t 图像和c t 数的演化规律，结果表明与 连续加载情况下相比，冻结裂隙岩石的卸围压破坏突发性强，岩石扩容强烈。 徐燕萍【4 6 】( 2 0 0 1 ) 研究了岩石在高温高压作用下加卸载过程，推导了 温度作用下的岩石热弹塑性力学特性本构方程。 王在泉( 2 0 0 1 ) 1 2 8 】通过大理岩、花岗岩、砂岩等常规三轴加载与固定 轴向位移的三轴卸围压实验，对常规三轴与三轴卸卸围压条件下的变形模量 及强度参数进行了对比分析，得到卸载过程变形模量及强度指标明显小于加 载过程的变形与强度指标，而三轴加载到峰值破坏后的卸围压试验表明其抗 6 山东大学博士学位论文 剪强度内摩擦角远大于加载破坏时的内摩擦角，内聚力一般比加载条件下加 载峰值内聚力及峰后残余内聚力小。 李仲奎【4 7 1 等通过岩体的真三维试验，模拟了节理面与主应力方向不同 夹角、节理面的不同间距及不同连通率以及不同的卸载过程对节理岩体性质 的影响。 刘庭金( 2 0 0 2 ) 1 2 3 1 通过引入服从韦伯分布函数的细观岩石微元体，运 用连续介质损伤力学理论，得出了可以反映岩石非均匀性的本构关系式，对 隧道，洞室等地下工程由于洞室开挖引起的围岩卸载过程中，洞室孔壁附近 围岩发生的损伤演化和应力场调整全过程进行了有限元分析，得到了洞室壁 面附近围岩损伤演化和应力场调整过程图。 沈军辉( 2 0 0 3 ) 1 1 3 0 1 在岩石试件卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程， 研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。得到岩石在卸荷状态下的变形表 现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪 性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩 体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏，特别是其破裂体系，很大程度 上受岩体结构的控制。 陈忠辉( 2 0 0 4 ) 1 3 1 1 利用连续介质损伤力学方法，通过岩石微元体强度 的w e i b u l l 统计分布和库仑准则假定，建立了一个简明的岩石三维各向同性 损伤模型及弹脆性本构方程。探讨了岩石试样试验的应力一应变全过程特 征、损伤演化规律、岩石试样加载的围压效应以及卸荷破坏下强度及脆化特 征，理论与试验结果表明，卸载破坏比加载破坏表现得更为脆性、更突然。 何江达( 2 0 0 4 ) 1 2 4 1 基于岩体开挖的卸载特性，引入岩体的加卸载判断 准则，建立了卸载岩体的脆弹塑性本构模型，并应用于小湾水电工程坝肩槽 开挖高边坡的稳定性分析，揭示了该边坡的开挖卸载效应，以及工程的整体 稳定性。 代革联( 2 0 0 4 ) 1 2 5 1 采用c t 实时试验的手段对连续加载试验条件下和 卸围压应力作用下砂岩破坏细观机理进行了对比研究。结果表明：岩石的卸 荷损伤演化破坏具有突发性，卸围压破坏导致的扩容比连续加载破坏时大。 高春玉( 2 0 0 5 ) 1 2 6 1 对大理岩在加、卸载条件下的力学参数进行了计算 7 山东大学博士学位论文 整理，并对其应力应变全过程曲线进行分析和比较。得到大理岩在不同试 验路径下的参数变化明显；同加载条件比较，卸载条件下的变形模量减小， 相同围压条件下抗压强度减小，而抗剪断强度参数中c 值大幅减小、妒值略 有增加；在破坏过程中表现为卸载条件下侧向应变值较同等围压加载条件时 增大，塑性特征减弱而脆性特征增强。 张黎明( 2 0 0 5 ) 1 1 3 2 1 1 1 3 3 】对粉砂岩试样进行了常规三轴加载后保持轴向变 形不变的峰前、峰后卸围压试验，得到了峰前、峰后卸围压全过程曲线。对 岩样破坏特征、强度和变形特性进行分析，得到对于峰前卸围压，岩样表现 出脆性剪切破坏的特征，而对于峰后卸围压，则表现出张剪破坏的特征，峰 前卸围压破坏比峰后卸围压破坏更具有突发性；对于峰前、峰后卸围压，岩 样都表现出明显的侧向扩容现象；岩样破坏时的轴向承载能力对围压都很敏 感。对卸荷导致的岩爆进行了研究，得到处于三轴应力状态下的岩体，如果 某一方向的应力突然降低造成的岩石在较低应力水平下破坏，那么原岩储存 的弹性应变能会对外释放，释放的能量将转换为破裂岩块的动能，进而町能 引起岩爆。采用提前钻孔释放能量的方法。将工作面前方围岩中的能量提前 释放，在即将开挖的围岩四周形成一个低应力的保护壳，能够减缓或降低岩 爆的发生。 李永明( 2 0 0 6 ) 1 1 2 7 1 分析了煤岩轴向应力恒定条件下卸围压破坏时的力 学参数，运用卸载破坏围压差的概念，反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难 易程度，通过不同初始卸荷速率时煤岩试件变形破坏参数的对比试验，研究 开挖卸荷速率对地下工程的影响。将卸载试验与常规三轴加载试验的极限强 度、破坏方式等力学参数进行了对比分析。 1 2 3 岩石的强度理论 岩石力学是一门实验学科，岩体由岩块、结构面组成，因而岩体的强度 从岩块、结构面和组合体三个方面进行试验研究，岩块的强度理论即岩石强 度理论，它是岩体强度的基础，岩石力学是比较年青的学科，最初引用金属 强度( 屈服) 理论和土体强度理论，后来发现岩石拉压强度相差很大，静水 8 山东大学博士学位论文 应力的大小影响岩石材料脆塑性破坏等性质，些金属材料的屈服准则如 t r e s c a 屈服准则、m i s e s 准则不适合岩石材料。岩石材料多数为脆性破坏【4 引 又引用了断裂力学的g r i f f i t h 强度理论，发现g r i f f i t h 强度理论预测出的强 度偏小。所以适用于岩石材料强度理论只有m o h r c o u l o m b 强度理论。另一 方面，岩土方面许多与强度有关的理论都采用了m o h r c o u l o m b 强度理论， 受m o h r - c o u l o m b 强度准则的影响，绝大多数强度准则都没有考虑中间主应 力的作用。许多研究者都以轴对称三轴压缩试验为基本研究方法，对岩块进 行大量的轴对称三轴试验，发现岩石莫尔破坏包络线不是直线，而是曲线， 并且在拉应力区与m o h r - c o u l o m b 强度理论不符，因此提出了许多经验准则 1 4 9 】【5 0 】和对m o l a r c o u l o m b 强度理论修正的强度准则。 在这些众多的经验准则中，h e o k b r o w n 经验强度准则被工程普遍所接 受，广泛在岩石边坡和地下工程中采用【4 9 】【5 l 】。h e o k b r o w n 经验强度准则经 过多次修正，最后变为广义h e o k b r o w n 经验强度准则5 2 1 。h e o k b r o w n 经 验准则参数估计以岩体分类为基础，不断地完善和改进，用较为量化的g s i 系统来估计参数。这以经验准则对于复杂的岩体来说简便易行【5 3 1 。 m o h r - c o u l o m b 强度理论、h e o k b r o w n 强度准则和大量的经验准则都是单剪 强度理论，都受到m o h r - c o u l o m b 理论的影响，忽略了中间主应力的影响， 它们只适应与三轴等围压试验应力状态，并不能岩石在三向应力状态下的破 坏强度理论。 三向应力状态下的强度理论研究，在1 9 1 9 年，d s a n d e l 提出了剪应力 与静水应力的组合来反映仃，效应【5 4 】： 吼一吧+ 咒( q + 吒+ 吒) = 2 ( 1 - 1 ) 实际上h u b e r ( 1 9 0 4 ) 、m i s e s ( 1 9 1 3 ) 、h e n c k y ( 1 9 2 5 ) 、r o s 和e o e h i n g e r ( 1 9 2 7 ) 等提出的形状改变理论都包含叽，但都不能用于岩石力学。直到 5 0 年代出现了d r u c k e r - - p r a g e r 准则，它是以八面体为模型，在主应力空间 破坏面是个圆，后来d r u c k e r - - p r a g e r 准则应用到岩石力学有限元程序中， 与m o h r - c o u l o m b 强度理论一样，是在岩石力学分析中应用最多的强度准则 之一。d r u c k e r - - p r a g e r 准则实质是三剪强度理论，不能反映强度的各向异 9 山东大学博士学位论文 性，与岩石性质和实验结果不符。如按d r u c k e r p r a g e r 准则的内切锥计算， 则太保守；如按外接锥计算，则太危险；二者均与实际不符，如按折衷计算， 则得到的计算结果在概念上是模糊的。h u m p h e s o n n y a l o r 与美国工程院两 位院士z i e n k i e w i e z 和w f c h e n 都指出d r u c k e r - - p r a g e r 准则与实验结果符 合程度很差，它不符合岩石强度的变化规律。我国葛修润院士和李世辉先生 等也指出采用d r u c k e r p r a g e r 准则是不合理的f 5 4 1 。 m u r r e l l ( 1 9 6 3 ) f 5 5 1 发现v o n k a r m a n 所做的大理岩轴对称三轴压缩试验 强度低于b o k e r 所做的对称三轴拉伸试验强度后，m o g i ( 1 9 6 7 ) 1 5 6 】、h a n d i n 等( 1 9 6 7 ) 5 7 1 对其他岩石材料进行了类似的试验，结论也相同。导致两种 试验强度差异的原因是中间主应力对岩石强度的影响。前苏联费洛宁柯一鲍 罗第契5 2 1 认为吼可以影响强度改变的1 5 ，帕特拉认为c r 2 可以大大影响岩 石强度的改变，s a n g h a l 5 4 1 认为许多比较脆性岩石的强度在很大程度上取决于 中间主应力。7 0 年代出现了岩石真三轴压缩仪，从此开始了岩石真三轴压 缩试验。岩石真三轴试验是研究岩石强度理论的基础。由于真三轴仪系统较 为复杂，费用非常昂贵，因此这方面的进展十分缓慢，试验资料也很有限。 许多试验缺乏理论指导，得不出岩石完整的破坏面。 m o g i 等人在岩石的真三轴压缩试验方面做出了巨大贡献，在他的指导 下，我国学者在这方面取得了卓有成效的进展【5 9 】【6 0 1 ，得出了中间主应力效 应及其区间性，为中问主应力效应的研究奠定了基础。国内外许多学者根据 自己的岩石真三轴试验结果拟合提出一系列经验准则。 m o g i ( 1 9 6 7 ) 1 5 6 1 提出的经验准则为： q c r 3 = 九 q4 - 0 2 + 眠) 】 ( 1 2 ) 口= 0 1 o 2 m o g i ( 1 9 7 1 ) s s 】修改的广义m i s e s 准则为： l o a = f ( o i + 吒+ o r o 3 ) ( 1 - 3 ) 或者 = ( q + 吒) ( 1 - 4 ) m o g i 对岩石的真三轴试验已发现中间主应力对岩石强度的影响比吧的 1 0 山东大学博士学位论文 影响小，在他的经验准则中用婀：项反映了中间主应力的作用。由于破坏面 平行仃2 的方向，m o g i ( 1 9 7 1 ) 假定作用在破坏面上的有效正应力与无关， 给出了( 1 - 4 ) 的具体表达式为： t o a 彳( q + c r 2 ) ” ( 1 5 ) h a i m s o n 和c h a n g 6 1 】( 2 0 0 0 ) 将( 1 5 ) 修改为： 彳( 刍” ( 1 - 6 ) 二 但其经验准则没有物理意义，不能反映中间主应力效应及其区间性，它 实质上是一个加权三剪强度准则。几乎没人用它来表示岩石在主应力空间的 破坏面。 m i c h i l e s ( 1 9 8 5 ) 【6 2 】- 【“】提出了一个强度准则： g = q 3 0 1 + s s i n ( o + - 万；- ) 一1 】 ( 1 7 ) j l a d e 将其用于砂土的强度准则做了适当的修正，1 9 8 7 年他和k i m 6 5 1 提 出了一个适应与岩石和混凝土材料的强度准则： ( 矸厶一2 7 ) ( i l 昂) ”= 编 ( 1 8 ) = q + d r 2 + 巳 厶= 0 1 0 2 吒 k i m 和l a d e 6 5 】的强度准则的计算和参数的确定都比较复杂，也没有明 确的物理意义，应用很少。 尹光志等【删人对砂岩和灰岩做了真三轴试验后，归纳出一个强度准则： 以= a + j 2 厶3 ( 1 - 9 ) 高延法和陶振宇【6 6 1 对红砂岩做了真三轴试验，根据他们的试验结果，提 出了一个三参数八面体剪应力强度准则： 1 s = b o + 2 j 1 + 饥 ( 1 - 1 0 ) 其中心是l o d e 参数。 w a n g 和k e m e n y ( 1 9 9 5 ) 【6 7 1 根据岩石空心圆柱扭转试验结果，提出以 下强度准则： 山东大学博士学位论文 q = o r c + ( 么+ 力( 吒+ 0 2 ) 0 2 0 江见鲸对o t t o s e n 强度准则做了修改： ，= 彳粤+ ( b + c c o s d 生+ d 量一1 ：o ( 1 1 4 ) 6 c o c o c 黄克智一张远高强度准则： 肚等+ t z 2 c o s 帕3 c r b2c ( 1 1 5 ) 用于岩石的h o e k b r o w n 强度准则( 0 护6 0 。) ： f = s i i l 2 ( 9 + 弘一4 3 詈a c c o s ( 秒专) 压一等厶一手= o ( 1 - 1 6 ) jj 。 jq 用于岩石的广义h o e k b r o w n 强度准则( 0 9 6 0 。) ： 1 2 山东大学博士学位论文 纠( s i n 0 + 万c o s 9 ) 佤】i p + 等【c o s 秒+ 压s 访9 厄一孚一e 伊= o ( 1 1 7 ) 混凝土强度准则与岩石强度准则在数学上非常相似，这些强度准则对岩 石材料强度理论的研究都具有参考意义，因为这些强度准则是根据试验结果 反复修正得出的。但是它们的物理意义不明确，往往存在着局限性。江见鲸 教授把它们称之为经验性准则【7 0 1 。 综上所述，对强度准则的研究分为两类：一类对真三轴实验资料直接进 行数学拟合，另一类对试验所得到的破坏面在数学上提出一个强度准则，来 适应所有可能的破坏面。这些准则与其所