岩石强度的时间-尺寸双效应统一预测模型

一、问题背景

岩体工程（如隧道、洞室）常处于复杂三向应力状态，但传统评估方法存在三大缺陷：

1. 忽略中间主应力（仅考虑最大/最小主应力）

2. 未涵盖时间效应（岩石会随亚临界裂纹扩展逐渐弱化）

3. 简化尺寸效应（实验室小样本强度 ≠ 现场岩体强度）

二、创新解决方案：MSDPu统一强度准则

团队提出多轴强度新模型，突破传统局限：

• 三轴统一描述：同时考虑三个主应力方向的作用，更贴合实际工程应力状态。

• 连续度参数Γ（核心创新）：

• Γ=1 代表完整岩石，Γ<1 量化损伤程度（如孔隙、裂隙）

• 岩体损伤越大，Γ值越小，强度越低（示例：Γ=0时退化为无黏性砂土强度）

• “帽盖”机制：针对高孔隙岩石（如砂岩），增加高压下的屈服行为描述。

三、三大工程实用扩展

1. 时间效应

• 长期强度阈值（DIT）：低于此应力，岩石可永久稳定（无时间依赖性破坏）

• 寿命预测公式：直接关联短期强度与DIT，预测不同应力下的服役寿命（案例：花岗岩百年强度衰减50%）。

2. 尺寸效应

• 尺度转换模型：建立实验室样本（厘米级）与工程岩体（百米级）的强度换算关系

• 围压削弱效应：高地压环境下尺寸影响减弱（深部工程更适用）。

3. 岩体工程适配

• 地质分类联动：通过RMR（岩体评分系统）自动计算Γ值，量化节理、裂隙的影响

• 示例：RMR=30的破碎岩体，强度仅为完整岩石的20%。

四、验证与价值

• 实验验证：精准匹配花岗岩、混凝土等10+类材料的三轴试验数据

• 工程应用：

• 巷道稳定性分析：预测加拿大核废料处置隧洞的长期破坏区（现场实测吻合）

• 钻孔安全设计：优化油气井筒结构，防止高压下的井壁溃塌。

• 核心优势：一套模型兼容短期破坏、长期损伤、全尺度岩体，替代传统多准则拼凑。

五、局限与展望

• 当前局限：各向异性岩体（如层状页岩）需进一步优化

• 未来方向：植入智能监测系统，实现强度参数的实时反演更新。

结论：MSDPu准则为隧道、洞库等重大工程提供了“强度-时间-尺度”的全周期设计工具，助力岩体安全评估从经验走向科学。