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.     

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。     

层状岩体巴西劈裂声发射特性研究

为了研究层状岩体在巴西劈裂条件下的破坏力学行为,建立基于颗粒离散元的层状岩体数值模型,采用基于矩张量理论的声发射计算方法,对层状岩体巴西劈裂条件下的声发射规律进行分析.研究结果表明:同一角度下,岩体的劈裂强度随着层理面强度的增加而增加.当层理面的强度值与岩石基质体相当时,岩石表现出各向同性的特点;当层理面强度小于岩石基质时,岩石的劈裂强度随着角度的变化呈现出"U"形分布的特点.各种工况下,拉裂纹的占比均大于剪切裂纹的占比,说明拉伸破裂是岩石微观破裂的主要类型.各种工况下,岩石的矩张量值主要分布在-5.75～-5.0之间,且峰值出现在-5.5～-5.25区间.声发射事件的矩张量大小与其数量之间的关系大致服从正态分布.随着层理面强度的减小,b值大致呈现出增加的趋势,说明声发射能量较小的事件在岩石层理面强度较小时占比较大.     

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。     

层状岩石力学特性及能量演化各向异性规律

为研究层状岩石在不同倾角条件下的力学特性及能量演化各向异性规律,设计6种不同倾角大理石试样的单轴压缩试验,分析层状岩石特征应力点的力学特征和能量的倾角效应,揭示层状岩石的破坏特征各向异性机理.研究结果表明:随着倾角的增大,层状岩石单轴抗压强度先减后增,弹性模量则逐渐降低;在层状岩石的受压过程中,能量分布存在明显的各向异性,且倾角较小时,弹性能占比较大,相反,耗散能占比较大;受载方向和层理面倾角的不同使得层状岩石的承载破坏方式不同,这是导致层状岩石的力学特性和能量规律出现差异的主要原因.研究结果可为矿井灾害发生机理和防治研究提供理论指导.     

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。     

层理性泥页岩井壁失稳机制的FLAC3D 数值分析

 在层理性泥页岩钻井过程中经常出现井壁失稳,影响钻井的顺利进行。考虑层理性泥页岩的岩块和层理特性,采用层理岩石单元和层理面单元的组合模型描述层理性地层的破坏模式。利用有限差分数值模拟软件FLAC3D建立层理性泥页岩井眼的有限差分计算模型,模拟了实际钻井过程。和均质地层对比,分析了层理性泥页岩井眼的塑性区分布、井眼位移和次生应力分布特点。数值模拟再现了层理面的变形破坏现象,描述了层理面的滑移特征。研究结果表明,数值模拟结果和实际钻井现象相吻合,层理面上下两侧位移差最大为0.8mm,层理面滑移位移是错动位移的8.13倍,证明了层理面的滑移是层理性泥页岩井壁失稳的根本原因。分别模拟了地应力、层理面空间分布、井眼轨迹参数和井眼尺寸对倾斜层理直井和水平层理斜井的变形破坏规律。     

互层状岩体的粘弹性流变模型及数值分析

以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,分别建立单轴轴向压缩荷载垂直和平行于层理时的两种互层状岩体粘弹性流变模型,采用有限差分程序FLAC3D对互层状岩体进行了单轴压缩蠕变试验的数值分析,将轴向应变的数值解与理论解进行对比,验证这两种模型的正确性.在数值分析中考虑大理岩夹层的体积分数、深度、条数和间距等对数值计算结果的影响.研究结果表明,轴向应变的数值解与理论解比较接近,说明提出的两种互层状岩体粘弹性流变模型是正确的.当进行单轴压缩蠕变试验的数值分析时,轴向应变理论解与数值解的误差随着大理岩夹层的深度、条数和间距等的改变呈规律性的增加或者减小.     

层状岩体受压力学特征结构面效应数值分析

煤层底板岩体是沉积岩,具有显著的层状结构特点。为研究层状岩体压缩强度的结构面效应,通过FLAC3D数值软件,结合改进的遍布节理本构模型,建立层状岩体压缩数值模型,分析单轴、三轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明:层状岩体压缩强度具有显著的结构面倾角效应。随着倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈现先减小后增大的趋势。当结构面倾角为40°~80°时,岩体强度整体较低,破裂面主要沿结构面展开。数值试验和理论分析反映的岩体强度随结构面倾角变化规律一致。层状岩体弹性模量沿平行于结构面方向最大,而垂直于结构面方向最小,并随结构面与水平面之间夹角的增加而增大。     

层状岩体隧道围岩稳定性的数值模拟分析

层状围岩中隧道开挖会引起非对称大变形现象,导致钢拱架扭曲、二衬开裂等工程问题。针对该问题,以四川省道219线改建工程海子山隧道为工程背景,在对该隧道围岩形变规律调研的基础上,建立基于块体离散元理论的数值模型,对层状围岩地层隧道稳定性进行数值分析。研究结果表明:隧道围岩大变形主要发生在以板岩为主的软弱岩层中,围岩的变形受层理面影响,表现出显著的非对称形变特征;当层理面与掌子面交线的视倾角等于0°时,层理面倾向角对围岩位移场及其破坏形态无影响。围岩侧压力系数λ=1、λ>1以及λ<1时,围岩的破坏形态分别受层理面、主应力方向、层理面与主应力方向共同控制;当视倾角等于90°时,围岩形变特征及其破坏形态在不同层理面倾向角的影响下存在4种模式。当视倾角不等于上述特殊情况时,在不同层面倾向角的影响下,围岩的变形特征及破坏形态存在8种模式。     

层状岩体强度结构面特征的数值分析

运用FLAC3D软件建立层状岩体试件模型,分析单轴压缩情况下的破坏模式和强度各向异性特征.研究结果表明:随着结构面倾角β的增大,试件抗压强度σc呈现先减小后增大的趋势;当结构面倾角为20°～30°和80°～90°时,试件抗压强度对β的灵敏度最大;当β为30°～70°时,σc变化不大;当结构面内摩擦角φj＜β＜90°时,数值计算结果和理论计算结果差别较小;当β≤φj或β=90°时,两者差别较大,数值计算结果明显小于理论计算结果;数值模拟结果能够反映出β≤φj和β=90°对应的岩体抗压强度存在一定差别,与实际情况相符.     

单轴压缩条件下脆性岩石变形破坏的理论、试验与数值模拟

利用损伤力学对脆性岩石在单轴压缩条件下的变形破坏行为进行了理论分析,并利用数值模拟试验机(RFPA)、伺服控制试验系统(RMT 150B)分别对岩石进行了数值及实验室试验,将理论分析曲线、数值试验及实验室试验曲线进行了对比研究,分析了理论结果、数值试验及实验室试验结果之间的联系与差别(尤其是全程应力应变之间的差别)以及产生这些差别的原因,结果表明数值试验并不是理论解析方法的简单重复,而是反映和研究岩石变形破坏全过程的有力手段·     

超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究

为提高深层干热岩破碎效率,以干热岩地层常见岩性-花岗岩为研究对象,提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性,主要采用数值模拟和理论计算等研究方法,建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型,探究了硬质花岗岩在温度-压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现:在单轴径向压缩载荷下,高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动,岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小,导致裂纹越容易扩展。温度越高,岩石损伤越明显,其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律,可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。     

非线性准则下隧道围岩响应的理论和数值分析

采用Hoek-Brown非线性准则描述岩土破坏特征更能反映岩体固有特点和非线性破坏特征,以及岩石强度、结构面组数、所处应力状态对岩体强度的影响。首先,通过理论分析,得到了围岩开挖后应力和变形情况;然后,利用数值计算软件,建立了Hoek-Brown准则下隧道的数值计算方法和计算模型,分析了隧道在开挖情况下的应力变形情况,得到围岩的径向应力、切向应力、剪应变分布、塑性区分布和位移情况,并将数值计算结果与理论计算结果进行对比,结果表明:①隧道开挖引起岩体的扰动,使其从平衡状态转为不平衡状态。随着时间的推移,不平衡力逐渐在岩体中消散均化,岩体的扰动逐渐减小,最终趋于平衡。②数值解均略大于理论解,但二者差别十分微小,从而验证了数值方法的正确性。     

注浆加固对顺层边坡力学特征的影响

利用FLAC3D数值计算软件建立顺层边坡的计算模型,分析注浆加固前后岩土体应力、变形响应.研究结果表明:当坡体结构面注浆后,边坡中的位移和应力云图变得较均匀,在边坡中无明显的位移或者应力突变现象,有利于边坡的稳定,但是,由于注浆加固区域的有限性,导致边坡的整体位移仍较大；计算观察点动态位移能够表征注浆加固前后边坡各部位在开挖过程中的变形响应,以及潜在滑移面剪出口位置；通过注浆加固后,边坡的拉剪塑性区明显减少,注浆能够较好改善岩体自身性能,提高其承担拉伸和剪切应力的能力.     

煤层等软岩层地应力研究新方法及其应用

目前煤层等软岩层地应力研究方法匮乏,地应力测量难度很大,因此有关煤层垮塌失稳力学机理的研究还无法深入.针对这一现状,利用含煤层系地层中硬岩层的地应力实测结果,以组合弹簧模型为基础,计算出构造作用引起岩层水平方向的应变量,并以此作为整个含煤层系地层地应力有限元分析的边界条件,建立含煤岩层地应力有限元分析模型,将硬岩层的地应力实测、理论模型计算以及有限元数值模拟三者有机结合起来,反演得到煤层等软岩层的地应力状态,从而建立起一套煤层等软岩层地应力研究的新方法.     

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。     

Particle simulation of the failure process of brittle rock under triaxial compression

In order to investigate the failure process of brittle rock under triaxial compression through both experimental and numerical approaches, the particle simulation method was used in numerical simulations and the simulated results were compared with those of the experiment. The numerical simulation results, such as fracture propagation, microcrack distribution, stress-strain response, and damage patterns, were discussed in detail. The simulated results under various confining pressures (0–60 MPa) are in good agreement with the experimental results. The simulated results reveal that rock failure is caused by axial splitting under uniaxial compression. As the confining pressure increases, rock failure occurs in a few localized shear planes and the rock mechanical behavior is changed from brittle to ductile. Consequently, the peak failure strength, microcrack numbers, and the shear plane angle increase, but the ratio of tensile to shear microcracks decreases. The damage formation during the compression simulations indicates that the particle simulation method can produce similar behaviors as those observed through laboratory compression tests.     

层状盐岩力学特性与蠕变机理研究

对层状盐岩力学特性进行实验与分析,获取相应的力学特征参数,是盐岩地下溶腔蠕变特性数值模拟的必要步骤,是数值计算中力学模型的组成要素。本文通过单轴压缩、三轴压缩和压缩蠕变等实验,获取层状盐岩短期强度特性和长期蠕变特性的力学特征参数,为盐岩蠕变模拟提供必要的参数支持。在此基础上,本文对层状盐岩蠕变机理进行分析,并将对盐岩蠕变率方程进行解析,为构建盐岩蠕变本构模型作铺垫。