卸荷岩体屈服准则研究及其工程应用

摘要

为解决国民经济建设中各工程部门所遇到的隧道、边坡、坝基等的安全和稳定问题，就必须查明岩体的物理—力学性能、工程岩体中的应力和变形状态等问题，提前采取有效措施来防止岩体材料的屈服破坏，使对人民生命财产的破坏减小到最低，使经济损失达到最小。因此，研究岩体中任一点的屈服与破坏准则是非常重要的。传统的研究方法采用的是加载岩体力学的理论，但是事实上，岩体工程建设一般涉及到岩体的开挖，岩体的开挖是一种卸荷的过程。卸荷条件下岩体的力学特性与加载条件下岩体的力学特性有本质的区别。所以其屈服破坏形式与加载岩体也有所不同。因此研究卸荷状态下岩体的屈服准则对进一步完善卸荷岩体力学有一定的意义。 本文主要研究了以下几个方面的内容： 1）简要地说明了材料屈服破坏的一些相关概念。指出屈服函数实质上是偏应力张量第二不变量与材料自身属性之间的函数关系。屈服曲面是屈服函数在几何空间中的六维超曲面。但是一般情况下只画出在三维应力空间中的屈服曲面。 2）总结了岩土类材料的屈服与破坏特性；详细地介绍了岩土类材料的一些常用的屈服准则—Coulomb-Mohr准则、Drucker-Prager准则、Hoek-Brown准则及俞茂宏统一屈服准则，并且对这几个准则之间的相互关系进行了说明。 3）结合卸荷条件下岩体会出现拉应力和拉剪应力的特征，基于新鲜闪云斜长花岗岩的试验结果，提出了适应于卸荷岩体的抛物线型Coulomb-Mohr屈服准则。推导了抛物线型Coulomb-Mohr屈服准则的抛物线型Drucker-Prager准则的外接圆、内接圆、内切圆以及等面积圆类型。并且比较了抛物线型Coulomb-Mohr准则与Hoek-Brown准则的异同。 4）以里底水电站推荐坝址的横II剖面为例进行有限元分析计算。分别采用Coulomb-Mohr屈服准则和抛物线型Coulomb-Mohr屈服准则进行开挖工况的计算，并对计算结果进行了比较分析。