高围压条件下岩石破坏特征及强度准则研究

目 录
摘要 (I)
Abstract (III)
第1章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 课题研究背景和意义 (2)
1.3 国内外研究现状及评述 (3)
1.3.1 岩石破坏特征研究 (3)
1.3.2 传统岩石强度理论 (7)
1.3.3 高围压条件下强度准则的研究现状 (17)
1.4 本文研究的主要内容 (20)
第2章高围压条件下岩石破坏特征研究 (22)
2.1 引言 (22)
2.2 试验条件与试验方案 (22)
2.2.1 试验条件 (22)
2.2.2 试验方案 (24)
2.3 试验结果与分析 (24)
2.3.1 偏应力-应变特征与分析 (24)
2.3.2 破坏断面特征与分析 (27)
2.3.3 三轴强度特征与分析 (28)
2.4 高围压条件下岩石强度特征与岩石临界状态 (29)
2.4.1 高围压条件下岩石强度特征 (29)
2.4.2 岩石临界状态 (31)
2.4.3 相关公式推导 (32)
2.4.4 岩石临界状态围压 (34)
2.4.5 讨论 (34)
2.5 MC准则对鄂州花岗岩三轴强度的评估 (35)
2.5.1 拟合目标的选取 (35)
2.5.2 低围压下对岩石强度的评估 (36)
2.5.3 高围压下对岩石强度的评估 (38)
2.6 本章小结 (40)
第3章非线性MC强度准则的适用范围及改进研究 (41)
3.1 引言 (41)
3.2 非线性MC准则的适用范围研究 (42)
3.2.1 选用的岩石三轴试验数据 (42)
3.2.2 与MC准则的比较 (43)
3.2.3 适用范围分析 (46)
3.3 MC强度准则的改进研究 (47)
3.3.1 准则改进的边界条件Ⅰ (48)
3.3.2 准则改进的边界条件Ⅱ (48)
3.4 I-MC准则参数拟合方法研究 (50)
3.4.1 半参数拟合法 (50)
3.4.2 全参数拟合法 (50)
3.5 参数B对准则精度的影响分析 (51)
3.6 与非线性MC准则的比较 (55)
3.7 真三轴压缩条件下I-MC准则的初探 (58)
3.7.1 σ1与σ2相关联分析 (58)
3.7.2 真三轴压缩条件下的I-MC准则 (59)
3.7.3 I-MC准则对岩石真三轴强度的评估 (59)
3.8 本章小结 (60)
第4章适合高围压条件的岩石强度准则研究 (62)
4.1 引言 (62)
4.2 三轴压缩条件下岩石双曲线型强度准则 (63)
4.2.1 岩石双曲线型强度准则 (63)
4.2.2 双曲线型强度准则的屈服曲线 (64)
4.3 与MC强度准则的比较 (67)
4.3.1 准则参数敏感性比较 (68)
4.3.2 准则评估岩石强度的精度比较 (69)
4.4 适用性验证及与I-MC准则的比较 (71)
4.4.1 双曲线型准则的适用性验证 (71)
4.4.2 与I-MC准则的比较 (73)
4.5 真三轴压缩条件下双曲线型准则的初探 (74)
4.5.1 真三轴压缩条件下的双曲线型准则 (74)
4.5.2 双曲线型准则对岩石真三轴强度的评估 (75)
4.6 本章小结 (75)
第5章三轴压缩条件下HB强度准则的改进研究 (77)
5.1 引言 (77)
5.2 HB强度准则的改进研究 (78)
5.2.1 准则改进的边界条件Ⅰ (78)
5.2.2 准则改进的边界条件Ⅱ (79)
5.3 I-HB准则参数拟合方法研究 (80)
5.3.1 半参数拟合法 (80)
5.3.2 全参数拟合法 (80)
5.4 参数D对准则精度的影响分析 (81)
5.5 I-HB强度准则的适用性验证 (84)
5.5.1 与HB强度准则的比较 (85)
5.5.2 与I-MC准则和双曲线型准则的比较 (87)
5.6 真三轴压缩条件下I-HB准则的初探 (89)
5.6.1 真三轴压缩条件下的I-HB准则 (89)
5.6.2 I-HB准则对岩石真三轴强度的评估 (89)
5.7 本章小结 (90)
第6章几种准则评估岩石三轴强度精度的对比研究 (91)
6.1 引言 (91)
6.2 几种准则的数学表达式 (92)
6.2.1 指数型强度准则 (92)
6.2.2 三参数Bieniawski强度准则 (92)
6.2.3 Drucker-Prager强度准则 (93)
6.2.4 本文提出的三种准则 (93)
6.3 高围压下准则评估岩石强度精度的比较 (93)
6.3.1 高围压下准则评估的岩石三轴强度结果 (93)
6.3.2 高围压下准则精度的分析 (95)
6.4 低围压下准则评估岩石强度精度的比较 (102)
6.4.1 低围压下准则评估的岩石三轴强度结果 (102)
6.4.2 低围压下准则精度的分析 (104)
6.5 几种强度准则精度的排序分析 (110)
6.6 本章小结 (113)
第7章结论与展望 (115)
7.1 结论 (115)
7.2 主要创新点 (117)
7.3 展望 (117)
参考文献 (118)
附录112种岩石三轴试验数据 (130)
附录2非线性MC准则对岩石三轴强度的评估 (132)
附录3MC准则对岩石三轴强度的评估 (134)
附录4I-MC准则对岩石三轴强度的评估 (136)
附录59种岩石真三轴试验数据 (138)
附录6双曲线型准则对岩石三轴强度的评估 (142)
附录7HB准则对12种岩石评估的三轴强度 (144)
附录8I-HB准则对12种岩石评估的三轴强度 (146)
附录9高围压下3种准则对12种岩石评估的三轴强度 (148)
附录10低围压下6种准则对12种岩石评估的三轴强度 (152)
附录11匈牙利法计算流程图 (160)
附录12攻读博士学位期间取得的科研成果 (161)
附录13攻读博士学位期间参加的科研项目 (162)
致谢 (163)
武汉科技大学博士学位论文
第1章绪论
1.1 引言
岩石力学作为一门近代发展起来运用力学原理与方法来研究岩石破坏特征和力学特性的新兴学科和边缘学科，正在以惊人的速度快速发展，它已广泛应用于采矿、石油、边坡、水利水电、隧道、公路等众多与岩石相关的工程领域，成为一门应用性和实践性都很强的基础学科。

国际岩石力学学会ISRM（International Society for Rock Mechanics）于1962年在奥地利萨尔斯堡成立[1]。

美国科学院岩石力学委员会曾于1966年，将岩石力学定义为：“岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反映[2]”。

中国国家小组于1979年加入ISRM，于1985年成立中国岩石力学与工程学会（CSRME）。

岩石力学的强大生命力在于密切联系工程实际，正如CSRME第一届理事长陈宗基院士在学会第一届第二次理事会扩大会议开幕词中说到“密切结合国家的基本建设，重大工程、国防工程、煤炭工程等等，为国民经济服务，解决工程中的岩石力学问题，才能使岩石力学这门学科得到更好地发展”[3]，傅冰骏在全国岩土与工程大会报告中也提出岩石力学的研究工作必须与工程实践相结合[4]。

因此，岩石力学的应用与发展必须紧密结合实际工程实践，紧紧围绕目前岩石工程界中亟待解决的问题展开研究。

资源的需求量伴随着世界经济的飞速发展而不断增加，目前随着浅部资源的逐渐减少甚至枯竭，地下空间的开发深度将会越来越大。

以采矿工程行业为例，根据不完全统计资料分析[5-7]，国外开采深度超过千米的地下金属矿山数量在80座以上。

目前我国也已有大批开采深度超过千米的矿山（井），如赵各庄矿（1156.8m）、孙村矿（1350.0m）、平煤12矿（1100m-1150m）、平煤5矿（1045m）和冬瓜山铜矿（1100m）等[8]，何满潮和钱七虎[9]认为在未来10~20年内，我国很多地下金属矿山及非金属矿山将逐渐进入深部矿产资源开采阶段。

随着地下矿山开采深度的不断增加，岩石将处于深部“三高一扰动”（高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动）的复杂地质环境中，使深部岩石力学行为明显不同于浅部岩石力学行为，致使进入深部开采阶段以后岩爆、突水和采场失稳等一系列灾害性事故频发，并且有不断加剧的趋势。

为减小深部岩石工程灾害事故的发生，保障正常安全生产，深部岩石力学问题已得到众多专家和学者的关注与重视[10-13]，深部岩石力学特性研究目前已经成为岩石工程界和岩土工程界最热门的课题之一。