关于岩土工程结构分析中应用强度理论效应的研究

庄为为

东台市建筑设计研究院有限公司224200

摘要：岩石强度理论是研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。文章介绍了岩土工程结构分析中岩石中间主应力效应试验，结合岩石强度理论研究进展，我们提出了岩土工程结构分析中岩石强度理论的运用。

关键词：岩土工程结构；分析；强强度理论效应

0引言

岩石强度理论是研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。岩石强度理论在矿山、水坝、隧洞、桥梁建设中应用十分广泛，例如在露天矿边坡稳定性分析中、地采矿巷道上覆岩层稳定性分析中以及水库大坝的边坡稳定性分析。由于在各种工程施工过程中所涉及到的岩石种类不同其应力与应变的关系亦不相同，不同岩石的不同变形种类必须使用不同的岩石强度理论来进行分析才能够确保施工安全。因此岩石强度理论的分类对于矿山建设、安全施工等都具有十分重要的意义。本文就岩石强度理论分类及在岩土工程中的应用作简要介绍。

１岩土工程结构分析中岩石中间主应力效应试验

从20世纪初Karman和Bkoer开始研究岩石中间主应力效应，到现在已有约100多年的历史，他们发现岩石三轴拉伸时的强度高于三轴压缩时的强度，这是Moho－Coulomb强度准则和Hoek－Brown经验强度准则所不能解释的。岩石中间主应力效应试验在1960年时取得了重要进展，20世纪70年代有了比较明确的结论。外国学者Takahashi等对沉积岩进行了真三轴强度和变形试验。，改进了真三轴试验机，提高了试验机的加载能力，简化了操作程序，对多种脆性硬岩进行了真三轴试验，探讨中间主应力对强度、变形和剪胀的影响规律，同时利用电子扫描显微镜观测裂纹发展和应变局部化情况，并将岩石真三轴试验结果应用于确定地应力分布等。中国台湾车笼埔断层粉砂岩的真三轴试验结果如图１所示。

图1真三轴试验结果

从20世纪80年代以来，众多学者及科学家对真三轴试验机的研制取得了很大进展，如：

张金铸等、许东俊等对多种不同岩石进行真三轴试验，发现了中间主应力效应的区间性，尹光志等对嘉陵江石灰岩的真三轴试验也得出同样的结论。许东俊等和耿乃光等指出，中间主应力σ2的改变（在σ1和σ3都不变的情况下，增加或减小σ２），可以引起岩石的破坏，甚至可能引发地震。陶振宇等和高延法等对红砂岩进行了中间主应力效应试验，并收集了各国多种岩石真三轴试验资料，分析后指出中间主应力影响系数（在σ３一定时，从σ２＝σ３开始变化σ２的过程中，所得最大极限荷载σ１ｍａｘ相对于对称三轴压缩时强度的提高系数）最低为18％，最高为75％，一般在25％～40％范围内。明治清等研制了拉－压真三轴仪，进行了岩石相似材料的真三轴试验，并验证了广义双剪应力准则的正确性。陈景涛等和向天兵等对多种硬岩进行了卸载与支护不同应力路径下的真三轴与声发射试验。以上岩石真三轴试验结果和得出的曲线都是十分有价值的，但是有些试验的数量不够或只集中于某一些特殊的应力状态，比较系统的岩石极限面试验包括中间主应力效应试验、不同应力角的子午极限线试验和π平面极限线试验，可为工程中验证和选用强度理论提供更加全面的依据。

2岩石强度理论研究进展

建立一个科学合理的岩石强度理论，对于工程设计、灾害预防、资源开发等领域都具有重要意义。俞茂宏将众多强度理论划分为单剪强度理论、双剪强度理论和八面体剪应力强度理论三大系列。沈珠江则将强度理论分为理论公式、经验公式和内插公式三大类。

在岩石强度理论的发展历程中，最初引用金属强度（屈服）理论和土体强度理论，后来随着岩石试验技术的发展，逐渐发现岩石材料的基本力学特性：单轴拉压强度不等，拉伸子午线与压缩子午线不重合（应力Ｌｏｄｅ角效应），静水应力效应，中间主应力效应及其区间性，不同的岩石材料具有不同程度的中间主应力效应以及屈服面的外凸性等。结合已有岩石试验结果，修正金属和土体的强度理论，至今已提出几十个岩石的屈服或破坏准则。目前岩土工程中最常用的当数Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则和外接圆Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ准则，前者忽略中间主应力影响而计算偏保守，后者夸大中间主应力影响而计算偏危险，实际上二者对中间主应力的处理为２个极端情况。外接圆Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ准则属于八面体剪应力强度理论，也称为广义Ｍｉｓｅｓ准则，考虑了中间主应力效应和静水应力效应，并且具有光滑圆锥极限面，在大型计算分析软件中得到了广泛应用和推广。但是外接圆Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ准则认为中间主应力σ２对材料强度的影响和小主应力σ３一样，高估了σ２对材料强度的提高作用，同时没有反映岩土材料拉压异性、应力Ｌｏｄｅ角效应等基本力学特性，难以和岩土材料的真三轴试验相吻合。

3岩土工程结构分析中岩石强度理论的运用

露天矿边坡稳定性分析方法大体上可分为岩体结构分析法、数学模型分析法和工程参数类比法等几个种类。结合岩石强度理论采用了露天矿边坡平面滑动的稳定性极限平衡法来进行分析。

3.1极限平衡分析法的应用条件

极限平衡分析法在应用中必须具备两个条件：一是基础资料的完整性；二是各种参数要相对准确。因为参数的变化可能对稳定性系数的计算结果带来较大影响。我国露天矿山常采用极限平衡分析法来确定边坡的稳定性，一般取为稳定型边界。

3.2极限平衡法

极限平衡法是一种基于平衡理论的数学模型计算分析方法，主要根据边坡破坏面上抵抗破坏的阻力即破坏面上的剪切强度与破坏面面积的乘积与破坏力的比值来表示，这里主要是用到了库仑准则。在结构面的走向、倾向与边坡的走向、倾向基本一致的情况下，其稳定性计算可沿滑面走向取一单位宽度剖面，按平面问题讨论。滑动岩体在自重力作用下的稳定，取决于滑动破坏的下滑力和滑面上抗滑力的关系由于滑面上抗滑力是破坏面上的剪切强度与破坏面面积的乘积，根据库仑准则以及边坡稳定系数公式可看出在这类边坡稳定性评价中，滑动破坏面的长度影响不大，而与滑动岩体高度、滑动岩体的破坏面倾角关系较大，即滑动岩体高度和滑动体破坏面倾角值越大，边坡的稳定性越低，除此之外，滑动破坏面的性质也有影响，若滑动破坏面越弱，或为泥质层、泥化夹层，且光滑平整，结构面的内聚力很小或接近于零，则滑动岩体的稳定性主要取决于内摩擦角的大小。在此情况下，当滑动破坏面的倾角大于内摩擦角时，边坡不稳定。凡能降低内摩擦角值的因素，如地下水的作用、爆破震动等，都会促使露天矿的失稳。

4结语

通过对岩石强度理论的分类及其各种强度理论适用的不同条件和范围的阐述和分析，认识到不同的岩体必须采用与之相匹配的岩石强度理论去计算其强度，方能对工程实践起到科学的指导意义，例如脆性岩石就可以选择格里菲斯强度准则来计算其强度。只要在工作中将岩石强度理论与工程实践紧密的结合起来，采取认真、严格的态度对不同岩性的岩体进行强度计算，并对其稳定性进行认真分析，那么就会最大限度地降低安全事故的发生。

参考文献：

[1]秦媛媛.强度理论效应对岩土工程结构分析的影响探析[J].黑龙江科技信息，2015，（1）：76-76.

[2]彭立锋，苏国韶，王志成等.基于高斯过程分类与蒙特卡洛模拟的岩土工程结构可靠度分析方法[J].科学技术与工程，2013，13（21）：6150-6157.

[3]王登刚，刘迎曦，李守巨等.岩土工程位移反分析的遗传算法[J].岩石力学与工程学报，2016，19（z1）：979-982.