层状岩体的颗粒流模拟新方法及数值分析

在颗粒流软件PFC2D的基础上,采用新的建模方法建立了层状岩体数值试样,并通过直剪试验验证了新方法的优越性。开展了不同层理倾角下的岩体单轴压缩试验的数值模拟,对层状岩体的变形特性、强度特性以及破坏模式进行了分析。数值结果表明:随着层理倾角的增大,其弹性模量与峰值强度都是呈先减小后增大的趋势,但两者取最小值时的层理倾角并不相同且两者的变化速率也不尽相同。当层理倾角β=0°~30°或者β=90°时,岩石试样的强度主要由基岩控制;而当层理倾角β处于中间角度时,此时岩石试样的强度则主要由层理控制。     

层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出"U"形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由"穿切层理面的劈裂型剪切破坏"转变"复合张剪破坏"再到"剪切滑移破坏",最后转变为"劈裂张拉破坏";3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。     

层状岩石单轴压缩损伤本构模型研究

为揭示层状岩石在单轴压缩条件下的损伤演化机理,将横观各向同性体的柯西转轴方程和随机损伤理论结合,建立考虑荷载损伤的层状岩石损伤本构模型;通过不同层理倾角炭质千枚岩的单轴压缩试验,验证模型的合理性和准确性,并从细观图像、力学参数、破坏模式和损伤演化等角度讨论炭质千枚岩的各向异性特征.研究结果表明:所建模型的理论曲线与试验数据曲线基本相符,能够较好地反映和预测单轴加载条件下层状岩石的非线性力学行为;炭质千枚岩的各向异性显著,在层理倾角从0°～90°变化的过程中,强度、峰值应变和泊松比先减小后增大,弹性模量逐渐增大,并依次产生张剪复合破坏、剪切滑移破坏和劈裂张拉破坏等三种破坏类型;不同层理倾角岩样的损伤演化规律基本相同,损伤演化曲线均经历了缓慢上升、快速上升和趋于稳定等3个阶段,损伤演化率曲线均服从正态分布,但损伤发展速率各不相同,进而改变了材料的力学性能.这将为层状岩体受荷损伤计算、各向异性研究、围岩稳定性分析和岩层掘进施工等提供理论依据和技术参考.     

层状岩体破坏性质试验研究

层状岩体由于其明显的各向异性特点,以及复杂的破坏机制,严重影响了地下工程的安全施工。通过对层状岩石试件进行全应力-应变三轴加载试验来研究层理对其强度特性和变形特征的影响;同时利用弹性小变形理论对复合层状岩体的变形及弹性模量进行了推导计算。试验研究结果表明,由于层理面之间存在不规整现象,水平层理的存在使得岩石强度以及整体弹性模量有所降低,使得在试件破坏时岩层的整体变形量增大。     

层状岩体强度数值模拟及其讨论

基于大伙房水库输水工程现场地勘数据,引入层理面弱化法及Interface命令法建立层状岩体数值模型.运用FLAC3D软件对层状岩体进行数值模拟分析,重点讨论分析这两种方法数值模拟结果的准确性.计算结果表明:Interface命令法计算的岩体竖向位移虽然缺乏连续性,但其在不同层理面倾角情况下计算的轴压极限强度与理论分析结果基本相同,误差均在10%以内,能够较好地描述层状岩体的破坏规律,为后续及类似层状岩体工程施工提供了参考.     

软硬互层状岩体的室内单轴压缩试验及数值模拟

以锦屏软硬互层状岩体为研究对象,基于室内试验分析单轴应力状态下岩样的3种破坏模式并结合数值模拟方法,分别探讨层面倾角、软弱夹层数量、分布及所占体积比等因素对互层状岩体变形特性、强度特征及破坏机制的影响。研究结果表明:锦屏互层状岩体的破坏总体遵循单轴压缩破坏的多裂纹劈裂模式,且在缓层面倾角范围内岩体的破坏以岩质材料自身属性为控制,而在较大倾角水平上则以层理弱面的影响为主导因素;软弱夹层数量对于层状岩体的U形强度规律影响不显著,但随着软弱夹层数量的增加,破坏荷载极小值有向层面倾角较小方向前移的趋势;随着软弱夹层所占体积比的增加,破坏荷载总体呈现下降趋势;当软弱夹层所占体积比接近时,软弱夹层数量的增加对岩样破坏荷载下降的影响与岩层倾角大小具有正相关关系,且当岩层水平时,对强度基本不发生影响。     

层状岩体地下洞室地震响应分析

针对地下工程中层状岩体表现出的横观各向同性特征,为了更好模拟地震作用下层状岩体受力和变形情况,围绕屈服强度的率相关性,提出了考虑应变率对黏聚力影响的动力强度准则.该强度准则综合考虑基岩与结构面的强度特征,结合与强度准则相对应的塑性势函数,推导了塑性应变增量的求解过程,建立了层状岩体动力本构模型.采用提出的模型模拟大型地下洞室群的动力响应特征,并与不考虑应变率对强度影响的模型计算结果相比较.结果表明:当考虑应变率影响时,计算得到的破坏区较小,围岩变形量更小,受力情况也更好.     

层状岩体各向异性损伤模型及验证

为推导层状岩体各向异性损伤模型,研究损伤对层状岩体力学参数的劣化程度,通过层面局部坐标系下的两组损伤变量对横观各向同性弹性本构方程进行修正,经坐标转换形成整体坐标系下的损伤本构方程,采用室内单轴压缩试验和三轴压缩试验结果验证该损伤模型的合理性。研究结果表明:(1)通过层状岩体损伤模型计算所得的强度和变形参数均可较好地反映试验结果,并具有各向异性,计算出的应力-应变曲线与试验结果吻合较好;(2)通过该损伤模型,仅需层面倾角为0°和90°时的两组变形参数即可求解各倾角下的应力-应变关系;(3)通过对摩尔-库伦屈服准则中的参数进行损伤劣化修正,可对试件破坏后的力学行为进行预测。研究结果对于层状岩体的试验研究、理论计算和工程建设具有一定的指导意义。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

节理岩体强度参数的数值模拟及工程应用

采用数值模拟方法模拟含不同倾角层理面的岩体在抗拉、抗压试验下的破坏过程,从受力、变形和破坏的角度出发,解释节理岩体的破坏机理。在此基础上选取一种层理结构分布明显的岩样,完成常规力学参数下的实验测试与分析,并对数值模拟结果和实验结果进行比较和相关分析。研究结果表明:随层理面倾角的增大,单轴抗压强度先减小后增大,呈U型变化趋势;随层理面倾角的增大,单轴抗拉强度呈递减趋势;数值模拟结果得出单轴抗压强度和抗拉强度的各向异性系数分别为0.72和0.24;数值模拟结果与试验测试数据较吻合,为实际工程中复杂节理岩体强度参数的合理确定提供了一条新的途径。     

岩盐水力压裂的破裂判据

岩盐的基本力学特性和破坏特征的实验结果表明,岩盐是一种“杨氏模量/强度（E/S）”比值极低的特殊软岩,其破坏遵循变形破坏准则,根据最大拉应变强度理论建立了岩盐水力压裂时计入铅直应力效应的破裂判据,并建议一般应采用单轴压缩实验来确定临界拉应变值,该判据与实验结果极为一致,适应于各种应力状态政下任何具有较小E/S比值的软岩。     

水平层理棱柱形灰岩抗压强度尺寸效应

为研究得到棱柱形含水平层理岩石试样与标准圆柱形岩石试样在单轴压缩试验下物理力学性质变化规律及破坏形态之差别,制备9组不同高径比棱柱形灰岩试样进行室内单轴压缩试验,并基于灰色理论GM(1,1)模型对试验数据进行拟合。研究表明:水平层理棱柱形岩石试样破坏过程与圆柱形岩石试样破坏过程基本相同但破坏形式存在差异;当高径比小于2∶1时抗压强度、弹性模量随高径比的减小而减小,泊松比、峰值应变随高径比的减小而增大,破坏形式从简单的对顶锥型劈裂发展到对顶锥型劈裂+沿层面拉裂破坏;相反高径比大于2∶1时抗压强度、峰值应变随高径比的增大而显著减小,而弹性模量、泊松比减小微弱且破坏形式主要为贯通试样的劈裂破坏;研究结果可为非标准形试样及岩石加筋材料工程试验抗压强度换算提供依据。     

岩体中孔与裂纹贯通破坏模式图形判别法

为研究工程岩体贯通破坏过程岩体裂纹起裂贯通机制,预制了以岩桥倾角为变量的红砂岩试块用单轴压缩的加载方式进行实验,并且通过数值模拟进行验证.首先总结了含单裂纹与单孔红砂岩岩石试块破坏的4种断裂模式,然后首次定义了塑性核心区半径、塑性延展区长度,并用它们表征单孔半径(或裂纹长度、倾角)与塑性破坏区域的大小,发现塑性破坏区的贯通与试块的贯通断裂具有很好的对应关系,最后提出通过作图判断岩石裂纹贯通断裂的判别方法.模拟结果验证了所提破坏模式判别方法的正确性,与类似物理实验结果具有一致性.     

单轴压缩下高含石量胶凝堆石料的力学特性

通过高含石量(70%,80%,90%)的不同尺寸的胶凝堆石料重塑样的单轴压缩试验,研究了含石量和尺寸效应对破坏形态和力学特性的影响.并结合数值模拟解释了试验现象.结果表明:随着含石量的升高,压应力区与拉应力区相互交错分布,最终破坏时,受张拉破坏和剪切破坏共同作用.破坏形式从张拉劈裂破坏的一条曲折延伸的裂纹,逐渐转变为多条裂纹的剪切-张拉复合破坏模式,并伴随着局部区域颗粒的崩落.尺寸效应对重塑样的破坏形态影响不明显,而对力学性质有显著的影响,大尺寸试样的力学性质较差.     

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.     

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

块裂层状岩质边坡稳定性极限分析上限解

采用室内模型试验仿真构造了顺层和反倾斜块裂层状岩质边坡,分别定性地确定了可能出现的两种类型边坡的破坏模式,并根据实际工程中可能出现的边坡破坏特征,进一步拓展了这两种类型边坡的破坏模式,使其更具有普遍性.然后根据极限分析上限法基本原理,对室内模型试验结果进行分析求解,验证了极限分析上限法在该类型边坡稳定性分析中的适用性,并使极限分析上限法演绎到普遍破坏模式中.这进一步拓展了极限分析法的应用范围,为块裂层状岩质边坡稳定性分析提供了一种有效的分析手段.     

Mogi-Coulomb强度准则应用于岩石三轴卸荷破坏试验的研究

 针对Mogi-Coulomb 强度准则是否适用于三轴卸荷试验,基于已有常规三轴及真三轴的试验数据,利用Mogi-Coulomb强度准则,对常规三轴卸荷及真三轴卸荷条件下的实验数据进行拟合和分析,并对拟合得到的相关强度参数和试样的破坏特征进行分析。结果表明,Mogi-Coulomb 强度准则在常规三轴卸荷条件下有着良好的适用性,而在真三轴卸荷条件下,虽然线性拟合效果较好,但拟合参数反映的岩石黏聚力值出现负数的异常情况。分析现有实验测试结果,可以推测出现参数异常的原因,应是岩石在真三轴卸荷条件下的破坏模式由剪切型破坏转变为强烈的张拉型岩爆破坏所致。这表明Mogi-Coulomb 强度准则虽能在一定程度上反映真三轴卸荷的主应力关系,但其本质仍为基于剪切破坏的强度准则,存在一定的局限性,对于张拉为主-剪切共存型的岩爆破坏,有必要建立一种新的岩石强度准则来反映真三轴卸荷下的岩石本构关系。     

石膏颗粒接触试验研究

利用岩石双轴流变试验仪,研究了石膏试件在单轴压缩和颗粒接触条件下的力学特性和破坏模式.结果表明:圆柱单轴压缩试件破坏模式为均匀受力下的一次性剪切破坏,球形颗粒接触试件破坏模式为应力集中下的颗粒破碎多次破坏;在利用离散元模型进行模拟时,同种材料单轴压缩试验的细观参数与颗粒接触试验的细观参数相差较大,不同的受力情况需要分别进行标定.