岩石中间主应力效应及强度理论研究进展

文章编号：16732049(2014)02000614

收稿日期：20131127

基金项目：国家自然科学基金项目(41202191)；中国博士后科学基金项目(2012M520079，2013T60868)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120205120001)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JQ7290)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2013G2283007,2014G1281072)

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摘要：综述岩石中间主应力效应试验和强度理论的研究进展，总结了岩石中间主应力效应的基本规律和现有岩石强度理论的特点与不足，最后介绍了统一强度理论及其对岩石真三轴试验的预测与在岩土工程中的应用。研究结果表明：中间主应力效应及其区间性是岩石强度的重要特性，且已是目前岩石强度准则建立所必须考虑的基本问题之一；应用统一强度理论并考虑更多复杂因素的综合影响，可得到更符合实际情况的较理想解答。

关键词：岩石；真三轴试验；中间主应力；强度理论

中图分类号：TU452 文献标志码：A

Advances in Rock for Intermediate Principal Stress Effect and Strength Theory

ZHANG Changguang, ZHAO Junhai, DU Wenchao

（School of Civil Engineering, Changan University, Xian 710061, Shaanxi, China）

Abstract: Authors firstly summarized the advances in rock of the intermediate principal stress effect test and strength theory, then found out some basic laws of the intermediate principal stress effect for rock, and characteristics and shortcomings of the existing rock strength theories. Finally, authors introduced the unified strength theory, and its prediction for rock true triaxial tests and applications in geotechnical engineering. The study results show that the intermediate principal stress effect and its range is an important characteristic for rock strength and has been considered as one basic problem for proposing a new failure criterion; a better solution more consistent with actual situations can be obtained by using unified strength theory with taking combined effects of more complex factors into account.

Key words: rock; true triaxial test; intermediate principal stress; strength theory

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0引 言

岩石强度理论是研究岩体强度理论的基础，是岩石本构关系的重要组成部分。研究岩石强度理论的目的，就在于根据一定应力状态下岩石强度试验的结果，建立其强度准则，从而得到一般应力状态下的岩石破坏判据。岩石真三轴试验是一种最全面的强度试验，它不仅是建立岩石强度准则的重要资料，更是检验岩石强度准则的有效依据。岩石真三轴试验要求对试件施加3对相互独立均匀的主应力，对试验机的加载能力与控制、变形量测、端部摩擦约束效应等要求都非常高。真三轴试验研究的一个重要内容，就是中间主应力效应研究。岩石的中间主应力效应研究，不仅具有理论上的意义，而且还具有巨大的工程实际意义和社会经济效益。一方面，如果岩石强度与中间主应力σ2无关，只需要考虑大主应力σ1和小主应力σ3，则岩石强度理论可以得到很大简化；在复杂应力试验设备研制中，也只需要有能施加2个方向应力的试验机；在工程实践中只需要分析大主应力σ1和小主应力σ3，就可以很方便地应用现有强度理论来解决实际问题。另一方面，岩石中间主应力效应研究十分困难，除了真三轴试验设备复杂、试验技术要求高、经费投入大外，还有静水应力效应掩盖了中间主应力效应［1］，要把它独立出来，需要明确力学和物理概念；MohrCoulomb强度准则和HoekBrown经验强度准则可以适用于拉压特性不同的岩石材料，又可以解释静水应力效应，已被广泛地了解和接受，而这2个理论都没有考虑中间主应力σ2；在理论上要提出一个有一定的物理概念、数学表达式简单又能反映中间主应力效应的新强度理论并非易事，因此，岩石中间主应力效应问题已成为各国学者热心研究而经久不衰的一个问题［2］。本文中笔者在综述岩石中间主应力效应试验和强度理论研究进展的基础上，总结了岩石中间主应力效应的基本规律和现有岩石强度理论的特点与不足，最后介绍了统一强度理论及其对岩石真三轴试验的预测与在岩土工程中的应用。

[HS2][HT4H][STHZ][WTHZ]1岩石中间主应力效应试验进展

从20世纪初Karman和Boker开始研究岩石中间主应力效应，到现在已有约100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Mohr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20世纪60年代取得了重要进展，20世纪70年代有了比较明确的结论，代表性的研究者有Hobbs［3］，Murrell［4］，Handin等［5］，Hoskins［6］。在20世纪七八十年代，Mogi为岩石中间主应力效应的阐明做出了杰出的贡献［711］，他改造原有轴对称三轴试验机，成功研制了世界上第1台岩石真三轴试验机，得到一系列不同小主应力σ3时的中间主应力效应曲线，利用试验充分证明了岩石中间主应力效应的存在。Mechelis［1213］对大理岩进行了真三轴试验，并指出中间主应力效应是岩石材料的重要特性。Takahashi等［14］对沉积岩进行了真三轴强度和变形试验。Haimson等［1522］改进了Mogi的真三轴试验机，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［21］如图1所示。

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