岩石分形节理的强度和变形特性研究

节理的粗糙性是影响节理力学性质的重要因素。本文以分形曲线模拟岩石节理的粗糙特征,并应用数值模拟的方法对岩石节理在单压状态下粗糙节理的最大剪应力、最大剪应变及其接触点分布情况进行较为系统的研究。本文的模拟结果和实验结果吻合较好。     

岩石分形节理光弹实验与数值模拟研究

从分形几何的观点出发，根据岩石结构面具有统计自相似特征，采用Mandelbrot-Weierstrass函数在聚碳酸脂板人为生成不同分维的分形曲线来模拟岩石节理不同的粗糙度，对该试样进行了一系列单压和压剪光弹实验。运用ANSYS系统，通过对模拟分形节理实验过程的数值模拟，研究了定量刻划节理粗糙性的分维对应力场分布变化的影响，并与光弹实验结果作了对比分析。研究表明，数值模拟结果与光弹实验结果有较好的一致。     

粗糙岩石节理剪切强度的修正公式

以Mandelbrot-Weieratrass函数构造的具有分形节理的岩石试件为模型,通过多组压剪实验,得到了岩石节理法向应力和分形维数及切向应力的近似关系,并利用实验结果得出了粗糙节理岩体剪切强度的修正公式.     

粗糙岩石节理剪切强度的修正公式

以Mandelbrot-Weieratrass函数构造的具有分形节理的岩石试件为模型，通过多组压剪实验，得到了岩石节理法向应力和分形维数及切向应力的近似关系，并利用实验结果得出了粗糙节理岩体剪切强度的修正公式。     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

输电线路节理化岩体注浆锚杆基础抗拔力数值模拟研究

采用正交数值模拟方法研究了岩体及注浆体相关因素对节理化岩体注浆锚杆基础抗拔力的影响.数值模型中考虑了岩石弹性模量、浆体弹性模量、节理迹长、节理倾角、锚杆埋深5个因素的变化,选择5因素4水平的正交试验方法进行了数值模拟.结果表明,锚杆埋深对注浆锚杆基础抗拔力的影响最大,其次为浆体弹性模量、岩石弹性模量、节理迹长、节理倾角,浆体弹性模量和强度对锚杆基础抗拔力的影响虽然大于岩石弹性模量的影响,但是提高浆体强度和弹性模量对节理化岩体注浆锚杆基础抗拔力的提升效果有限.     

不同充填厚度节理面剪切破坏宏细观机理研究

为了研究不同充填厚度下节理面的剪切破坏行为和强度特性,综合前人对充填节理的试验与理论成果,考虑天然岩体复合结构的不规则粗糙表面形态,对实验室制备的类岩石材料充填节理试件进行室内剪切试验,并采用数值方法进行模拟验证。对比实验结果和模拟结果,从宏观和细观角度分析了充填节理的变形特性及破坏行为,研究了充填厚度对节理面剪切强度的影响关系。研究结果表明:在同一粗糙度下,不同厚度充填节理的破坏模式没有明显区别,主要表现为粘结面的破坏;在较小粗糙度下,充填节理的剪切峰值强度和残余强度均随着充填厚度的增加有一定程度的降低,但变化不大;在较小粗糙度和较小充填厚度下,试件沿与节理面起伏较大处成一定角度产生裂隙并逐渐贯通至试件底部,充填厚度增加,仍会产生裂隙,但不会贯通。     

断续节理岩石破坏过程数值模拟研究

采用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，通过对岩石断续节理在压剪荷载作用下的声发射和位移特性进行数值分析，研究岩石断续节理的破坏过程。数值模拟显示了试件的破坏过程、试件破坏所表现的声发射特征以及不同节理角对岩石破坏过程的影响。研究表明，岩石断续节理破坏过程具有几个明显的不同阶段，节理的倾角对破坏过程具有明显的影响。     

软弱节理面对于岩石三轴抗压强度的影响研究

利用数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了结构面不同倾角、条数及侧限围压对于岩石试件三轴抗压强度的影响。结果表明:(1)岩石试件中所含节理面倾角不同时,岩石破坏模式不同。节理面对于岩石强度及变形的控制作用与节理面产状相关;(2)随着岩石中节理条数的逐渐增加,岩石抗压强度相应降低,但对于节理控制型岩石,其主要破坏模式仍以节理面上下部分相对滑移破坏为主;(3)随着围压强度的逐渐增加,含节理面岩石抗压强度逐渐增加,但增加幅值与节理面控制作用大小相关。     

基于高斯滤波法剪切作用下节理表面形貌演化

选取2类岩石节理试样进行3种法向应力条件下的剪切试验,采用高精度三维激光形貌仪Talysurf CLI 2000获取节理表面三维形貌图,并基于高斯滤波法,将原始节理表面分离为波纹度表面与粗糙度表面,通过计算节理表面粗糙度系数比(S)与表面磨损度(Ds),研究剪切作用下节理表面形貌变化规律。结果表明:起伏体的破坏使得波纹度表面和粗糙度表面的整体粗糙程度均出现明显下降;波纹度表面磨损度随着法向应力的增大而增大,而粗糙度表面磨损度在首次剪切后最大,且大于波纹度表面磨损度;法向应力较低时原始节理表面形貌变化主要取决于粗糙度表面,法向应力较高时节理表面形貌变化则由波纹度表面控制。     

断续节理对岩体力学性能的影响

采用颗粒流数值模拟程序,建立不同节理状态的岩石试样模型,对其进行双轴试验模拟,从岩桥长度、节理长度和倾角三个方面对断续节理影响下的岩体破裂形式和力学性质进行了数值模拟分析.岩桥的破裂方式为翼裂纹扩展下的拉剪复合破坏,模型破裂大致经历了翼裂纹的扩展、次生裂纹的延伸以及岩桥的贯通三个过程,而且表现出明显的蠕变特性以及延性破坏.岩桥长度的变化对峰值强度和弹性模量影响较小;相比岩桥长度,节理岩样的力学特性对节理长度更加敏感.对于不同的节理倾角,岩石试件表现出不同的初始破裂形式,0°倾角岩样的破裂方式为翼裂纹的扩展和次生裂纹的延伸,中间岩桥没有被贯通,15°倾角岩样的初裂强度和峰值强度最大.     

吻合度对节理力学特性影响的细观数值试验

岩石节理经过侵蚀、风化及工程扰动等影响后,节理面往往会呈现出不吻合特征,现有关于节理力学性质的研究均是基于Barton公式考虑节理粗糙度系数的完全吻合岩石节理,对不吻合节理还未系统深入研究,本文试图从细观力学角度研究吻合度对节理力学性质的影响规律。首先通过RIEGL LMS-Z420i三维激光扫描仪现场采集节理面起伏状态,以采集的起伏状态为骨架,采用分形插值函数构造节理面的细观几何形态,通过上、下节理面的水平错位移动来描述节理的吻合度;其次,从节理面凸凹点的细观变形出发,提出这些凸凹点集群化后表现出的宏观力学特征及其数值模拟方法,基于此方法,系统地研究吻合度对节理力学性质的影响规律,并通过试验验证该模拟方法的可靠性。研究表明节理的峰值剪切强度与节理粗糙度和吻合度系数的乘积值以及法向作用力成正比。     

断层构造影响下井筒煤柱开采的研究

本文以岩石力学理论为基础,应用三维弹塑性节理有限元理论对井筒煤柱的开采进行了理论模拟,特别是井筒煤柱包含断层且井筒穿过断层这样的复杂条件,本文采用了特殊方法(节理单元方法)进行了研究,在井筒煤柱开采方面有了进一步的认识.     

随机荷载作用下岩石节理剪切强度特性研究

连续采集某桥梁在随机车流经过时的基础支座反力,以该数据为样本来模拟桥梁的随机车辆荷载谱。以水泥砂浆为相似材料,制作有3种起伏角、3种岩壁强度的共9组人工岩石节理试件。在不同法向应力条件下,对9组试件通过施加随机荷载序列进行循环剪切试验,考察节理剪切强度的变化规律。结果表明,在随机车辆荷载序列的作用下,岩石节理的峰值剪切强度与节理起伏角、法向应力以及岩壁强度均呈正相关关系;岩石节理剪切强度随循环加载次数的增加而降低,且呈现先快后慢的变化趋势;岩石节理剪切强度的劣化速率随节理起伏角的增大、法向应力的增加和岩壁强度的降低而加快。     

岩石断裂面曲折度影响下的粗糙单裂隙渗流规律

针对岩石裂隙表面粗糙度对裂隙渗流性能影响的问题,采用数值模拟方法研究曲折度对粗糙单裂隙渗流影响的机理研究.结果表明:曲折度与流量修正系数和等效渗透系数修正系数呈正相关且相等,最大偏差为8%.对同裂隙开度不同粗糙元裂隙模型进行渗流模拟时,发现随着出入口压差的增大,立方定律的不适用性越来越明显,其中流体通过矩形粗糙元单裂隙沿程损失和局部损失最大,同时偏离立方定律也最为明显;将基于曲折度修正立方定律应用于预测矩形和三角形粗糙元粗糙单裂隙渗流,并与其他六种修正模型进行对比,发现基于曲折度修正立方定律在预测粗糙单裂隙时能获得更为准确的结果.     

岩石节理面粗糙度的分形效应与试件尺寸影响分析

 岩石节理面的粗糙度是影响岩体形变、位移和强度的主要因素,准确量测岩石节理表面的粗糙度对评价岩石力学特性非常重要.根据分形理论,岩石节理表面具有分形特征,可用分形维数描述节理表面的起伏度,但是岩石节理表面粗糙度一般不具有严格的自相似分形性质,因此,表面分形参数(分形维数D和截距A)的量测结果受到尺度的影响.本文运用三维表面激光形貌仪扫描10个不同尺度的试件(尺寸为100mm×100mm—1000mm×1000mm),结果表明,D和A随试件尺寸增大而减小,两参数都有尺度效应,但存在一个极限尺寸.综合考虑岩石表面尺寸、试件长度以及测量尺度对岩石节理表面粗糙度的影响,提出可靠的分形测量途径.     

压剪作用下节理倾角对类岩石材料破坏模式的影响

采用在水泥砂浆初凝前预埋云母片的方法制作含不同分布形态的充填节理试件,并对试件进行压剪试验,探究压剪复合作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响及节理岩体破坏机理。应用RFPA2D有限元程序建立相应的数值模型,进行数值计算。试验和数值模拟结果表明:节理倾角对试件初始破坏时翼裂纹的产生位置和最终破坏形态都有显著影响;不同倾角的节理在不同程度上弱化了类岩石试件的抗剪强度,节理倾角为15°时抗剪强度最小,而60°时最大;节理倾角小于45°时,试件破坏所需剪切位移小于无节理试件破坏时的剪切位移,节理倾角大于或等于45°时大于无节理试件破坏时的剪切位移。     

节理岩体爆破破坏过程数值模拟

 针对目前常用的有限元和离散元等数值方法难以客观反映岩体中存在的大量断续节理和在外力作用下岩体破碎及块体运动的不足,提出采用最近新出现的数值方法——数值流形方法以解决目前岩体爆破中存在的上述问题.数值流形方法采用数学网格与物理网格以形成求解流形单元,很容易反映岩体中存在的众多初始节理,本文采用断裂力学准则模拟岩石节理和裂纹扩展,采用DDA中的块体运动学理论模拟块体运动,并通过算例对比分析了完整岩体和节理岩体爆破破坏模式的差异.模拟结果表明,节理存在对岩体爆破破坏模式有着重要影响,且其影响程度与节理的几何分布和物理力学性质有着密切关系.     

含层理构造黑云变粒岩单轴压缩试验及数值模拟

应用离散元的接触粘结模型,系统分析了节理单元的强度特性,研究了不同加载方向下节理岩体的强度、破坏模式,并与室内试验结果进行了对比验证.研究发现:对于倾角45°分布层状节理岩体,节理单元强度低于岩石基质强度的15%时,节理对整体力学性质产生显著影响,对比室内试验,节理强度为基质强度约2%~4%时可以有效地模拟节理岩体的力学行为;随着岩层倾角的增加,层状岩体单轴抗压强度逐渐减小到逐渐增大的变化过程,呈"U形"分布.研究结果可为颗粒流离散元方法研究节理岩体力学特性提供参考.     

基于AttentionR2U-net的岩石（体）关键节理智能识别与参数提取

针对岩石（体）表面复杂节理网中关键节理的智能识别与参数提取问题,提出一种基于AttentionR2U-net网络与节理几何特征模型耦合识别的方法.在R2U-net网络的基础上引入注意门（attention gate）改进网络,通过定性与定量的方法对边坡节理图像和混凝土、龟裂土、常见脆性岩石裂隙图像的识别结果分别作准确性及泛化能力检验;利用AttentionR2U-net网络耦合节理几何特征的方法识别关键节理,提取原始节理和关键节理的几何参数并对其迹长、面积及倾角作差异性分析.研究结果表明：针对岩石（体）节理识别,本文算法的Dice相似系数从U-net网络的0.965提升至0.990,且明显优于传统算法,故本文算法在岩石（体）节理识别上具有更强的可靠性与优越性;针对混凝土、龟裂土和大理岩、花岗岩、砂岩等脆性岩石裂隙的识别,本文算法的Dice相似系数均在0.953以上,故本文算法具有较强的泛化能力.与原始节理网络相比,关键节理网络优势迹长由0.732 m显著增大至1.835 m,节理倾角分布形式和优势倾角组均不变,优势迹长和倾角的节理占比均显著增大.