柱状节理岩体相似材料力学特性试验研究

通过柱状节理岩体模型试验探究白鹤滩水电站坝区柱状节理岩体各向异性特征.使用了模拟岩体内部节理的新方式——3D打印制作不同倾角六棱柱形节理试件,以树脂为节理打印材料,水泥砂浆为模型材料,通过立方体试件单轴压缩试验考察节理岩体强度随倾角0°~45°变化的各向异性特征.试验结果表明:岩体压缩强度随着节理面延伸方向与竖直方向的夹角的逐渐增大而减小,单轴压缩下柱体破坏模式主要为剪切破坏.     

柱状节理玄武岩卸荷力学特性的数值模拟

白鹤滩水电站厂区内的柱状节理玄武岩是由原生节理与隐晶裂隙共同切割形成的节理岩体.由于两种节理的形成机理、结构形式、空间产状、力学特性的不同,使得柱状节理玄武岩在不同应力状态下,具有不同的破坏模式.利用D-CRDM分析方法对柱状节理玄武岩卸荷过程进行了计算分析,同时结合现场声波测试结果分析柱状节理玄武岩的破坏机理与模式.研究表明:卸荷过程中原生节理在张拉作用下易产生表层的剥离破坏,而隐晶裂隙在拉、压状态下均会产生开裂破坏,并诱发岩体的整体失稳.岩体的现场破坏证明了该研究结果的正确性,同时研究结果为洞室的岩体支护方式的选择提供了参考依据.     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

节理岩体损伤模型的有限元分析

将岩体中固有的初始节理损伤考虑成宏观损伤场，通过引入损伤张量模拟岩体的多裂隙性。损伤张量由节理组的实测数据确定，并引入有效应力来计算节理岩体的力学效应。编制了损伤模型的平面非线性有限元程序，并采用损伤模型和常规有限元模型的有限元程序对某矿山边坡进行对比计算分析。结果表明，损伤模型的有限元解析能反映节理岩体的各向异性。     

节理对岩体强度变形特性影响的模型实验

采用模型试验研究节理对岩体强度变形特性的影响.设计150 mm×150 mm×150mm尺寸的3组模型试验,在不同的正压力下,分别对完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体进行中型剪切试验.研究结果表明:岩体以脆性破坏为主,主要有4种典型的破坏方式,破坏形态与节理的排列方式、贯通性以及应力状态等因素密切相关;完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征:完整岩块曲线主要经历剪缩错动、线弹性增长、破坏和残余强度4个阶段;贯通节理岩体曲线主要经历线弹性增长区、过渡区和滑移破坏区3个阶段;断续节理岩体曲线主要经历线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段.断续节理岩体摩尔库仑曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏包络线为上界和下界,可以通过地质力学分析缩小带宽,估算断续节理岩体的强度.     

基于节理岩体损伤本构的洞室位移反分析研究与应用

基于对洞室位移反分析中开挖扰动区处理方法的总结分析,探讨将节理岩体损伤本构应用于反分析研究中的实现方法。通过FLAC3D预留的二次开发接口,修改其内置应变软化模型的数值计算格式,即对位于屈服面以外的应力点采用修正应力张量分量的方式替代主应力修正的方式,使修改后的本构模型可适用于各向异性的节理岩体,同时结合FISH语言编制的节理裂隙几何参数随开挖过程的演化程序实现对节理岩体等效柔度张量的更新,从而完成节理岩体损伤本构的FLAC3D二次开发。采用基于支持向量回归机与PSO-DE优化算法的增量位移反分析方法,应用该本构模型对思林水电站地下厂房围岩参数进行反分析。研究结果表明:对于开挖于含成组展布且相对结构尺寸为小量的断续节理岩体内的地下洞室位移反分析问题,将节理岩体损伤本构引入其中是一个很好的尝试,扰动区内围岩的等效弹模平均降低约为20.13%,计算增量位移值与量测值的相对误差在7.54%~16.56%,反分析成果是合理和可靠的。     

断续节理岩体波传播试验装置的研制及其标定

为了解决现有试验设备难以激发并开展复杂节理岩体应力波传播规律研究的技术难题,基于摆锤撞击原理设计并研制了一种可用于实现断续节理应力波激发、传播和测试的试验装置．该装置主要由平面波发生器、支撑平台、软件控制系统和数据采集系统4部分构成．该试验装置具有可控、可调、可重复激发具有不同波长和幅值的应力波的优点．利用有限元数值软件模拟了平面应力波在岩石板上的传播,结果表明应力波波阵面沿板轴线对称分布,而波阵面幅值一致性范围随着传播距离逐渐下降．利用该试验装置分别在完整岩石板和断续节理岩石板上开展了试验研究,结果表明应力波在完整岩石板中同一横截面处的波形基本一致,且受边界效应影响,同一截面处应力波幅值由中心向两边逐渐增大．在断续节理岩体应力波传播试验中,应力波在通过节理后不再以平面波的形式传播,断续节理后方同一截面上应力波幅值表现出节理段后被削弱、岩桥段后被增强的特点．进一步的分析表明由断续节理引起的幅值差大于同范围内由边界效应引起的幅值差,从而验证了本试验装置可开展断续节理岩体波传播规律的研究,并为含复杂结构面岩体中应力波传播规律的研究提供了技术手段．     

预置节理岩体锚注加固机理研究

通过应用室内力学实验,建立实验模型,模型主要对节理岩体、锚固节理岩体以及锚注节理岩体的抗剪强度和本构关系进行对比分析。试验结果显示:锚杆加固、注浆加固、以及锚注加固能够很好的提高节理试件的刚度和抗剪强度;从粘聚力和内摩擦角的增幅变化中,发现粘聚力的增幅大于内摩擦角的增幅。通过室内锚注试件的剪切实验和锚注节理边坡的控制效应,发现锚注加固可以有效控制节理岩体的变形和位移,同时对矿山节理岩体的控制和利用有理论指导意义。     

节理玄武岩强度特性三维离散元压缩模拟试验

基于节理玄武岩几何结构特征和岩体强度REV尺度,利用三维离散元建立不同节理倾角下的数值模型试件,进行三轴压缩模拟试验分析.对柱状节理岩体在不同围压、不同节理倾角、不同参数比值下的强度变化规律性进行探讨,研究其各向异性比,获取并分析了柱状节理岩体在不同倾角下的等效力学参数.研究结果表明:节理玄武岩强度曲线在不同节理倾角和围压下近似呈U型分布;各向异性程度随围压升高以指数函数形式降低,以坝基原位岩体水平应力15 MPa估算,坝基处玄武岩体属于中等各向异性水平;在节理倾角75°时,对应的等效摩擦角为44.4°,等效黏聚力为1.15 MPa,参数计算值在原位测试值范围内.     

不同围压下柱状节理岩体三轴力学试验研究

为了研究白鹤滩水电站坝址区柱状节理岩体的力学性质,采用相似原理制作与柱状节理岩体结构和物理力学性质相近的柱状节理物理模型试样,借助岩石全自动三轴流变伺服系统,开展了不同围压条件下柱状节理模型试样三轴力学试验研究,分析了不同围压对柱状节理岩体的强度、破坏模式和损伤的影响.研究结果表明:柱状节理模型试样的峰值强度与围压呈正相关关系;柱状节理模型试样在较低围压作用下沿节理面的滑移破坏,在较高围压作用下破坏模式为剪切滑移破坏;在三轴压缩过程中,围压对减缓柱状节理岩样的轴向损伤有一定的影响.     

基于分数阶微积分的岩石硬性结构面蠕变本构模型

结构面普遍存在于工程岩体中,影响工程安全。对含结构面岩体的蠕变特性及本构模型的研究对揭示岩质边坡蠕变机制及边坡失稳预测具有较大的意义。利用水泥砂浆制作非贯通硬性结构面试样,进行剪切蠕变试验,并对蠕变特性进行分析。将整数阶黏壶元件改进为分数阶微积分软体元件,并替换Kelvin模型中整数阶黏壶元件,同时引入能够模拟结构面加速蠕变过程的非线性黏性元件并将其非定常化,采用元件组合方式,构建基于分数阶微积分的岩石硬性结构面蠕变本构模型。以非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面试样剪切蠕变试验数据为基础,分别对本构模型进行验证并对待定参数进行辨识。结果证明,试验值和预测值之间相关性程度R~2均较高,非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面相关性R~2分别达0.94和0.97,表明该模型能较好地模拟非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面岩体蠕变特性,对揭示岩质边坡蠕变机制和时效演化有重要意义。     

水与岩体的耦合作用及其对高边坡稳定性的影响

在许多滑坡事故中 ,水的作用往往是最关键因素 .基于此 ,作者将水与岩体的耦合作用及其对高边坡稳定性的影响作为研究内容 .岩体从结构上分为结构体和结构面 .此文首先分析了水对结构体强度的影响 ,并分析了水与硬性非贯通分布结构面的耦合作用及其对岩石边坡滑移的影响 .此外还分析了水对贯通软弱结构面强度的影响 ,并在此基础上分析了水对高边坡稳定性的影响 .最后 ,又从系统学的角度分析了雨水和地下水 (含地表水 )与高边坡稳定性的关系 .     

节理岩体对P波传播的影响

应力波在节理岩体中的传播规律是十分复杂的,不仅会受到岩石物理力学参数的影响,还会受到节理性质及分布特征的影响.以含平行双节理的岩体作为研究对象,采用数值模拟的方式探讨了平面P波在节理岩体中传播规律.首先,对含平行双节理的岩体进行了分析,探讨了节理刚度、归一化节理间距、节理倾角、节理刚度比对质点振速缩放系数(VSF)在节理前、节理间和节理后分布特征的影响.结果表明:对于节理岩体,节理刚度越大,平面P波的透射性越好,能量衰减的越少;在一定范围内,归一化节理间距越大,能量衰减的越多;节理倾角对不同位置的监测点的影响各不相同;不同刚度比下,对节理2附近的监测点影响较大,其余监测点基本上没有影响.     

岩体破坏的结构控制与应力控制转换机理及判据模型

首先,通过岩石受力破坏过程分析给出了岩块的强度参数与岩块破坏时形成的贯穿裂隙强度参数的关系．在此基础上,通过理论推导给出了结构面强度曲线和岩块强度曲线的位置关系,揭示了三轴压缩试验中,在低围压下岩体通常沿结构面破坏,而在高围压下岩体经常沿岩块剪切破坏的机理,并给出了由结构控制转换为应力控制的临界围压的解析解．其次,揭示了在岩体开挖中,岩体破坏的结构控制与应力控制的转换机理,给出了结构控制转化为应力控制的临界初始应力的解析解．算例表明,模型可以有效解释岩体力学行为的结构控制与应力控制的转换机理．     

岩体结构面三维循环加载本构关系

研究岩体结构面在循环加载条件下的三维力学性质。通过对二维数值模型合理推广,建立三维本构模型。法向加卸载本构为逐步硬化的双曲线函数。切向模型基于加载为双曲线函数、卸载为线性函数的本构方程建立,并引入剪切方向角描述三维切向接触特性。考虑峰值剪切现象,以切向塑性功为主要参数,建立峰值摩擦角和剪胀角的磨损方程。以初始剪胀角和残余剪胀角为主要参数建立剪胀方程。数值计算结果与试验曲线的对比表明,该模型体现了各向异性结构面的非线性受力变形特性、表面磨损和不均匀剪胀行为,能较好模拟三维循环加载本构关系。     

岩体卸荷分析的基本方法

描述了岩体卸荷的力学过程、卸荷岩体本构关系、力学参数和分析方法,以三峡工程永久船闸边坡为例进行了计算分析,并与实测结果进行了比较,从而阐述了与常规岩体力学的不同之处。     

考虑偶应力的层状岩体地下洞室开挖模拟

利用能考虑偶应力的Cosserat介质理论，笔者分析了层状岩体变形破坏的机理，并基于Matlab编制了相应的计算程序。利用该程序，笔者对一个典型的陡倾角层状岩体中大型地下洞宣的开挖进行了计算，结果表明运用该方法是简便和有效的。     

节理单元在岩体稳定性分析中的应用

根据平面节理单元的各种类型的实用范围本原理．给出了运用不同的节理单元对岩体中不同的不要确定了材料的本构模型，采用比较特殊的单元类型，石类材料进行数值模拟，并可以取得较为满意的结果．和各自的优缺点，系统介绍了平面节理单元的基连续面进行模拟分析的实例，分析的结果表明只仍然可以按照有限元的基本思想和步骤来对岩