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岩体膨胀角的经验估算和数值估算

8月前浏览1360

文章摘要

文章讨论了膨胀角在岩体力学中的重要性,特别是在应变软化模型中。Hoek和Brown提出了一种基于岩石内摩擦角的经验膨胀角确定方法,但未给出明确依据。实践中,通常先通过Hoek-Brown准则求出内摩擦角,再确定膨胀角。IMASS模型中的膨胀角可以是恒定的,也可以是随约束应力和孔隙度变化的函数。文章还提到了其他研究者提出的岩体膨胀评估方法,这些方法考虑了岩石的抗压强度、摩擦角和约束条件,但通常只适用于微应变量级的岩石变形。


1. 引言

因为膨胀控制着峰值后的体积行为,膨胀角会随着岩体的逐渐变形而减小,并在达到最大体积应变时变为零,所以膨胀角是应变软化模型的一个关键参数。不过,如何为大尺度节理/叶状岩体定义一个合适的膨胀值是一项具有挑战性的任务。

Hoek和Brown (1997)曾经给出过膨胀角ψ的一个经验确定方法,建议对质量较好、一般和极差的岩体分别采用  φ/4、 φ/8 和 0 的初始值,其中φ是岩石的内摩擦角,但这篇论文没有给出这种确定方法的依据。10年后,这篇论文的作者之一Brown在他的论文(2008) Estimating the Mechanical Properties of Rock Masses中重新提到了膨胀角的确定方法,但依然没有给出依据。

在实践中,首先通过Hoek-Brown准则求出等效的内摩擦角φ,然后根据上面的方法近似确定膨胀角ψ;在岩土工程中,ψ通常指的是极限膨胀角,默认值ψ = 0;对于砂,ψ ≈ φ-30°,对于粘土ψ = 0。

大多数数值模拟软件中的膨胀角是一个常量,一些研究者提出了理论上更趋于完美的岩体膨胀评估方法,例如Alejano & Alonso (2005),Zhao & Cai (2010), Walton & Diederichs (2015),这些方法根据岩体的抗压强度、摩擦角和约束条件来估算膨胀角,但是这些方法都只适用于数千微应变量级的岩石变形,这种程度的应变仅对应于岩体从峰值到后峰值包络线的软化,因此这些经验模型无法给出高孔隙度 (后峰值和极限强度包络线之间)的膨胀角。

2. IMASS中的膨胀角

在崩落开采作业过程中,岩体在剪切作用下膨胀或在拉伸作用下 体积膨胀,都会导致体积或容重增加。因此在数值模型中指定膨胀角非常重要,因为它可以控制剪切过程中的膨胀率,下图显示了模型中两种膨胀机制同时作用的结果,即活动区的非均匀膨胀。

在 IMASS 中,膨胀角被设置为标准材料属性,并在达到用户定义的最大膨胀系数后降为零,这可以防止单元在剪切过程中膨胀到不切实际的水平,可根据经验方法为岩体指定一个恒定的膨胀角,也可以使用更先进的膨胀模型,根据约束应力和孔隙度(或 VSI)的函数不断更新每个单元的膨胀角。下图所示的是膨胀角随围压和孔隙率的变化。

3. 参考

(1997) Practical estimates of rock mass strength.
Hoek-Brown破坏准则最初用于估算硬岩的强度。由于缺乏合适的替代方案,该准则被应用于各种岩体,包括质量极差的岩石,这些岩石几乎可以被归类为工程土。由于这些应用,有必要对最初的准则进行修改。主要问题之一是如何确定等效内聚力和摩擦角,以满足根据Mohr-Coulomb破坏编写软件的要求。本文总结了对 Hoek-Brown 破坏准则的解释,发现该准则在处理实际工程问题时效果最佳。

(2005) Considerations of the dilatancy angle in rocks and rock masses.

本研究是针对隧道或矿柱设计等经典岩石力学破坏后(post-failure)问题中对膨胀性处理不当而进行的。对文献的全面回顾和对已公布测试结果的观察表明,膨胀性在很大程度上取决于材料已经历的塑性和围压;此外,尺度似乎也起着不可忽视的作用。这篇文章详细分析了已公布的测试数据,以期提出一个足够重要但又简单方便的膨胀角公式,它能反映这些依赖关系,并可在数值分析中轻松实现。然后对模型进行测试,证明它能够代表岩石样本在抗压试验中的应变行为。最后,该模型被应用于差至中等质量岩体中隧道地层反作用力曲线的解析,显示出与使用实际岩石工程技术所获得结果的良好相关性。


(2010) A mobilized dilation angle model for rocks.

对岩石破坏的实验和现场观察表明,破坏过程与岩石膨胀密切相关,膨胀是岩石变形过程中体积增加的指示器,描述膨胀最常用的概念是膨胀角。考虑到应变软化的传统Mohr-Coulomb模型通常假定膨胀度恒定不变,但据观察,这种方法并不能成功描述岩石的非线性变形行为。在本研究中,根据已发表的带有体积应变测量的改进三轴压缩试验数据,建立了一个考虑围压应力和塑性剪切应变影响的动态膨胀角模型。根据模型响应并结合粒度描述和单轴抗压强度,提出了四种岩石类型(粗粒硬岩、中粒硬岩、中粒软岩和细粒软岩)的模型参数。对于分别代表细粒软岩和粗粒硬岩的煤和石英岩,使用膨胀角模型来预测体积-轴向应变关系,发现预测结果与实验结果非常吻合。


(2015) A new model for the dilation of brittle rocks based on laboratory compression test data with separate treatment of dilatancy mobilization and decay.

本文提出了一个新模型,用于计算在实验室压缩试验中通过脆性机制变形的岩石膨胀角。与同类模型相比,该模型能够通过较少的独立参数来确定,并显示出与多种岩石(沉积岩、辉绿岩、大理岩、花岗岩和石英岩)的实验室测试数据相匹配。对每个模型参数都进行了详细研究,并提出了与地质和岩土特性的潜在联系。此外,还结合新模型对观测到的扩张角数据进行了机理解释。介绍了所研究岩石类型的模型参数,并对参数的确定/估计提出了建议。该模型的主要优势在于其灵活性,既可用于数据匮乏的分析,也可用于数据丰富的分析,既可用于简化的实施,也可用于全面的实施。为模型的修改提供了实用指导。


(2020) Theory and Implementation of the Itasca Constitutive Model for Advanced Strain Softening (IMASS).

开发IMASS的目的是表示岩体对应力变化的反应 (即岩体屈服、模量软化、密度调整、膨胀、膨胀关闭、随单元尺寸属性变化的比例、内聚力弱化、拉力弱化和摩擦强化)。这个本构模型是利用依赖于应变属性开发的,这些属性经过调整,以反映岩体在发生塑性变形时膨胀和隆起的影响。本文讨论了 IMASS 的基本原理,以及在连续体模拟框架内使用双模式软化屈服面的改进情况。


来源:计算岩土力学
ACTMechanical非线性岩土理论材料控制试验
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首次发布时间:2024-03-26
最近编辑:8月前
计算岩土力学
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