第12期 李 远等：岩石材料脆性剪切破坏模式下的强度分析 ·1367· 73 于大量试验结果进行数据拟合和规律总结的基础上 2 提出了目前国际上著名的Hoek-Brown强度准则公 =-0.0342x+1.9648 1 式.常规应力状态下Hoek-Brown准则与试验结果 0 有很好的吻合，但其未从机理上阐明岩石（岩体）主 应力空间强度非线性的原因.脆性剪切混合强度计 +b 2 。-ln(10b 算分析中，采用Mine-By隧道试验数据（图4），进行 -线性（拟合ln(10b) -3 了Hoek-Brown准则和混合强度的对比分析，其结果 -4 0 30 60 90 1203 如图7所示 o./MPa 600r-开裂强度 500 ·o(70MPa) 图5最大围压为150MPa时的b系数拟合图 ·oHok-Bowm准则) Fig.5 Fitting curve of coefficient b with the maximum confining 400 stress of 150 MPa 6 ,拟合强度(Hoek-Bown准则) 200 +拟合强度(b=0-1) 式中，C、C2、D1、D2、m和n均为计算系数，试验 I00 获得. 001020304050607080 G/MPa 2脆性剪切强度理论的试验分析 图7 Mineby隧道试验拟合曲线 2.1脆性剪切破坏机理下常规岩石强度准则的理 Fig.7 Fitting curves of strength data of granite for Mine-by tunnel 论解释 如图7所示，图中红色直线为采用最高围压为 从式(4)中可以看出，混合强度公式包含了脆 70MPa时的试验数据拟合极限剪切强度线，下方 性断裂和纯剪切破坏两种形式，常规的岩石受压破 空心方框直线为采用声发射法监测得到的岩石裂 坏可以认为是这两种强度的共同作用和相互影响的 隙开裂强度线，中间实心方形标记和三角形标记 结果.所以在混合型强度准则中，首先可以给出其 的混合强度线和Hoek-Brown强度线基本重合，绿 极限状态也就是理想脆断材料的强度公式(b=1) 色曲线为假设b系数从0开始时的强度曲线.由 和纯剪切强度公式(b=0).岩石的强度是非线性 于混合强度拟合曲线与Hoek-Brown试验曲线基本 的，Mohr-Coulomb准则包含在混合强度准则之中， 重合，因此混合强度与Hoek-Brown准则一样能够 当脆断强度系数b=0时，混合强度就变化成为 反映岩石材料在应力状态变化条件下的非线性强 Mohr-Coulombi强度理论.也就是说，当岩土体材料 度特点，并且混合强度理论可以从机理上给出岩 破坏时不存在脆性裂隙扩展影响，只有剪切破坏机石材料非线性的解释：Hoek-Brown准则体现岩石 制发展.当岩石发生脆断破坏时，试样在裂纹初始 非线性强度变化过程，即岩石材料在不同应力状 扩展时就迅速破坏，破坏面近似平行于最大主应力 态下自身裂隙扩展对整体强度影响程度的逐渐变 方向（如图6所示）.此时，混合强度公式(4)中b≈ 化使整体强度不断趋近于纯剪切强度的过程.此 1,而强度公式就变为岩石断裂力学中的脆断强度计 外，目前Mine-by隧道现场试验数据显示，Hoek- 算形式. Brown准则在低围压段计算强度出现一定程度的 偏差，而在高围压段又恢复到原强度准则计算数 值，由于缺少现场数据，本文只对其进行定性的 分析.如图7中绿色曲线（拟合强度(b=0~1)) 所示，当起始强度中脆断破坏机制影响较大时 (b=O),曲线就会偏离Hoek-Brown准则的计算数 值：而当围压逐渐增大，强度不断向极限剪切强度 靠近时，整体强度值又与Hoek-Brown准则曲线 图6水厂混合花岗岩试样单轴压缩破坏情况 Fig.6 Failure photos of Shuichang granite after uniaxial strength test 重合. 2.2水厂混合花岗岩脆性剪切混合破坏模式下的 岩石（岩体）本构关系是一种非线性本构关系， 强度分析 强度随着围压的增长呈曲线型变化.Hoek-Brown基 脆性剪切破坏模式在岩石破坏中普遍存在，只第 12 期 李 远等: 岩石材料脆性剪切破坏模式下的强度分析 图 5 最大围压为 150 MPa 时的 b 系数拟合图 Fig． 5 Fitting curve of coefficient b with the maximum confining stress of 150 MPa 式中，C1、C2、D1、D2、m 和 n 均为计算系数，试 验 获得． 2 脆性剪切强度理论的试验分析 2. 1 脆性剪切破坏机理下常规岩石强度准则的理 论解释 从式( 4) 中可以看出，混合强度公式包含了脆 性断裂和纯剪切破坏两种形式，常规的岩石受压破 坏可以认为是这两种强度的共同作用和相互影响的 结果． 所以在混合型强度准则中，首先可以给出其 极限状态也就是理想脆断材料的强度公式( b = 1) 和纯剪切强度公式( b = 0) ． 岩石的强度是非线性 的，Mohr-Coulomb 准则包含在混合强度准则之中， 当脆断强度系数 b = 0 时，混合强度就变化成为 Mohr-Coulomb强度理论． 也就是说，当岩土体材料 破坏时不存在脆性裂隙扩展影响，只有剪切破坏机 制发展． 当岩石发生脆断破坏时，试样在裂纹初始 扩展时就迅速破坏，破坏面近似平行于最大主应力 方向( 如图 6 所示) ． 此时，混合强度公式( 4) 中 b≈ 1，而强度公式就变为岩石断裂力学中的脆断强度计 算形式． 图 6 水厂混合花岗岩试样单轴压缩破坏情况 Fig． 6 Failure photos of Shuichang granite after uniaxial strength test 岩石( 岩体) 本构关系是一种非线性本构关系， 强度随着围压的增长呈曲线型变化． Hoek-Brown 基 于大量试验结果进行数据拟合和规律总结的基础上 提出了目前国际上著名的 Hoek-Brown 强度准则公 式． 常规应力状态下 Hoek-Brown 准则与试验结果 有很好的吻合，但其未从机理上阐明岩石( 岩体) 主 应力空间强度非线性的原因． 脆性剪切混合强度计 算分析中，采用 Mine-By 隧道试验数据( 图 4) ，进行 了 Hoek-Brown 准则和混合强度的对比分析，其结果 如图 7 所示． 图 7 Mine-by 隧道试验拟合曲线 Fig． 7 Fitting curves of strength data of granite for Mine-by tunnel 如图 7 所示，图中红色直线为采用最高围压为 70 MPa 时的试验数据拟合极限剪切强度线，下方 空心方框直线为采用声发射法监测得到的岩石裂 隙开裂强度线，中间实心方形标记和三角形标记 的混合强度线和 Hoek-Brown 强度线基本重合，绿 色曲线为假设 b 系数从 0 开始时的强度曲线． 由 于混合强度拟合曲线与 Hoek-Brown 试验曲线基本 重合，因此混合强度与 Hoek-Brown 准则一样能够 反映岩石材料在应力状态变化条件下的非线性强 度特点，并且混合强度理论可以从机理上给出岩 石材料非线性的解释: Hoek-Brown 准则体现岩石 非线性强度变化过程，即岩石材料在不同应力状 态下自身裂隙扩展对整体强度影响程度的逐渐变 化使整体强度不断趋近于纯剪切强度的过程． 此 外，目前 Mine-by 隧道现场试验数据显示，Hoek￾Brown 准则在低围压段计算强度出现一定程度的 偏差，而在高围压段又恢复到原强度准则计算数 值［8］，由于缺少现场数据，本文只对其进行定性的 分析． 如图 7 中绿色曲线( 拟合强度( b = 0 ～ 1) ) 所示，当起始强度中脆断破坏机制影响较大时 ( b = 0) ，曲线就会偏离 Hoek-Brown 准则的计算数 值; 而当围压逐渐增大，强度不断向极限剪切强度 靠近 时，整体强度值又与 Hoek-Brown 准 则 曲 线 重合． 2. 2 水厂混合花岗岩脆性剪切混合破坏模式下的 强度分析 脆性剪切破坏模式在岩石破坏中普遍存在，只 ·1367·