考虑微凸体弹塑性过渡变形机制的结合面法向接触刚度分形模型

摘要： 基于粗糙表面微凸体变形的连续性和光滑性原理,研究了在法向载荷逐渐增加时的粗糙表面单个微凸体弹塑性过渡变形机制,提出了考虑弹塑性过渡变形机制的结合面微凸体微观接触模型,建立了法向接触载荷和法向接触刚度的数学模型;基于分形几何理论,建立了结合面法向接触刚度的分形模型,并对结合面法向接触刚度进行仿真计算.结果表明：在较小的塑性指数条件下,法向接触载荷与法向接触刚度近似呈线性关系;在较大的塑性指数条件下,法向接触载荷与法向接触刚度呈非线性关系;法向接触刚度随着分形维数和法向接触载荷的增加而增大,随着无量纲分形特征尺度系数的增大而减小;所得结合面法向接触刚度的仿真计算值与铣削加工和磨削加工条件下的实验值较吻合.     

岩体节理非线性法向循环加载本构模型的改进

假定卸载曲线和重加载曲线在法向的起始刚度由前一次加载曲线和卸载曲线决定,从而完全确定岩体节理循环加载本构方程.对模型参数的不同取值,将已有的不同模型统一起来,通过卸载曲线渐近线内移的方式来反映滞回特性.将改进的节理弹性非线性法向变形本构模型拓展到循环加、卸载条件下,考虑节理面几何特性、充填物特性及岩石类型的复杂性,在将节理变形的非线性程度定量化描述的同时,修正以往模型对曲线形式做出硬性假定的方式.新模型的预测结果与试验结果吻合良好,验证了模型的可行性.     

考虑临界变形量变化的结合面法向接触刚度计算模型

考虑微凸体接触过程中临界变形量变化,建立结合面法向接触刚度计算模型.采用分形几何表征结合面的形貌特征,由表面形貌测量数据得到分形函数的分形参数D和G.采用弹塑性变形接触理论分析微凸体的接触变形特征,得到微凸体的临界变形量估计模型,其是分形参数和微凸体接触变形量的函数,进而得到考虑临界变形量变化的单个微凸体的接触刚度计算模型.由分形理论得到粗糙表面微凸体分布函数,微凸体分布函数与单个微凸体接触刚度计算模型结合得到结合面的法向接触刚度计算模型.通过对比计算结果与实验数据,验证了所提模型的合理性.     

堆石料湿化变形三轴试验研究

采用大型三轴仪分别进行各向等压及不同围压不同湿化应力水平条件下的三轴湿化试验,对堆石料在上述情况下的湿化变形特性进行研究。基于单线法,建立适合于堆石料湿化变形的新模型,通过研究湿化轴向变形及体积变形与围压以及湿化应力水平的关系,提出单线法湿化变形经验公式,并结合试验成果对堆石料的湿化模型参数进行拟合。研究结果表明:在各向等压条件下,湿化体积变形与轴向变形和围压的关系分别可用双曲线与直线表示;在围压一定时,偏应力引起的湿化体积变形与湿化应力水平的关系可采用线性拟合,而湿化轴向变形与湿化应力水平呈指数关系;拟合曲线与试验结果曲线较吻合,表明该模型能较好地反映堆石料湿化变形的特征,证实了该模型的合理性。     

SMW工法在复杂条件下基坑支护中的应用研究

考虑某地下室工程地质条件及周边环境特点,提出了SMW(Soil Mixing Wall)工法支护方案,采用空间有限单元法分析了在不同支护结构型式、不同桩长、不同刚度条件下,支护结构位移及周边建筑沉降性状.结果表明:SMW工法加支撑的支护方式能有效地控制周边建筑沉降,SMW工法桩桩长对支护结构变形及地面沉降影响很小,支护结构刚度对支护结构变形与地面沉降有一定影响.     

弹性纵波在不同非线性法向变形行为节理处的传播

对正向入射弹性纵波穿越具有不同非线性法向变形本构关系的单一岩石干性节理的特性进行理论研究.在没有剪切波的条件下,探讨了BB双曲线模型和经典指数模型两种不同的节理非线性法向变形行为对弹性纵波传播的影响.依据这两类节理本构关系,建立了不同的非线性位移不连续模式,分别获得了弹性纵波穿越单一节理时的反射、透射系数的解析解及数值差分解.针对节理初始法向刚度(kni)、节理闭合量(dn)与最大允许闭合量(dma)比值(γ)以及入射波频率(f)等参数进行研究,同时将2种模型的计算结果进行比较,得到的结论具有一定理论意义.     

路基冻胀地区CRTSⅠ型板式无砟轨道结构变形与离缝特征分析

为揭示严寒地区高速铁路路基冻胀变形对无砟轨道平顺性的影响,建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道-路基空间耦合有限元模型,分析了不同路基冻胀条件下轨道结构的变形特征,探讨了层间离缝的发展演变过程,以及层间粘结强度和底座板刚度对离缝发展的影响规律.结果表明:路基冻胀位置对轨道结构变形影响较大,冻胀变形基本能反映到轨面,当冻胀作用在轨道板中间位置时,底座板与基床表层之间的离缝值最大;最大离缝值随冻胀量增加呈线性增长,随冻胀波长的增大而减小;离缝在轨道结构横向位置是从中间向两边逐渐扩展的;随着底座板与基床表层之间粘结强度的增大,层间离缝值和离缝长度逐渐减小;离缝值随着底座板刚度的减小而减小,当底座板刚度减小为原来的60%时,离缝值减小了近20%.     

四辊轧机不对称刚度条件下轧辊弹性变形的研究

针对国内某热连轧厂精轧机组某机架轧机两侧刚度不对称的实际情况,为了研究四辊轧机驱动侧和操作侧刚度不对称条件下轧辊弹性变形的规律,采用影响函数法开发了基于双悬臂梁模型的轧辊弹性变形模拟计算模块,对刚度不对称时的四辊轧机进行了受力分析,对轧辊和轧件进行了离散化,给出了关键的影响函数.使用该计算模块并结合现场实际数据计算了不同刚度差条件下工作辊的弹性挠曲、工作辊与轧件之间的压扁、工作辊与支撑辊之间的弹性压扁、轧制力的横向分布和辊间压力的横向分布规律,研究了不同刚度差条件下轧件出口断面形状的变化规律.     

顺层岩质边坡变形破坏特征及稳定性数值模拟

针对顺层岩质边坡岩层结构面倾角θ和边坡角α两个参数,采用离散单元法研究了不同工况下总计270个边坡模型的变形破坏特征,统计得到不同变形破坏模式对应的岩层结构面倾角θ与边坡角α的范围,并基于强度折减法研究了两个参数与边坡稳定性的关系,揭示了顺层岩质边坡变形破坏机制及稳定性特征. 研究结果表明:依据边坡变形破坏特征,提出了四种顺层岩质边坡变形破坏模式,即坡脚沿岩层结构面的滑移-剪切破坏,坡顶沿岩层结构面的滑动-剪切破坏,岩层下缘弯曲-剪切破坏,以及岩层上缘翻折-拉裂破坏. 在此基础上,分析并归纳了这四种模式的产状、变形特征以及可能的破坏模式等一般规律. 边坡安全系数fs随结构面倾角θ的增大先减小后增大,在减小过程中达到最小值后迅速上升,然后变缓回落.边坡安全系数fs随结构面倾角θ变化过程中,当θ约等于α-7. 3°时,fs取得最小值,此时对应的边坡稳定性最差.     

三维锯齿型结构面直剪特性分析

结构面特性对于岩体稳定性具有重要的影响,为了研究锯齿型结构面的强度和变形特征,利用数值计算软件建立了三维结构面岩体试样的计算模型,采用界面单元模拟结构面特性,得到结构面在正应力和剪应力作用下,结构面剪切强度与起伏角的关系、应力应变关系以及剪胀效应.结果表明,结构面起伏角对内摩擦角的影响程度大于对黏结力的影响程度;相对法向位移与相对切向位移关系曲线明显地随法向应力大小不同而呈现出不同的变化趋势;在不同的起伏角和正应力状态下,法向位移和剪切位移之间均符合线性关系.     

岩石节理流变力学特性及其本构模型

通过对锦屏二级水电站大理岩节理进行剪切流变试验,分析了当剪切应力恒定、不同法向应力作用下的节理蠕变变形特性;根据传统的老化理论及遗传蠕变理论,提出了能够考虑法向应力影响的岩石节理剪切流变本构模型.最后,采用大理岩节理剪切流变试验数据确定了剪切流变模型的参数.将流变模型曲线和试验结果进行比较,结果表明该模型能够较好地描述不同法向应力和剪切应力作用下节理蠕变的变形规律.     

点载荷作用下岩石塑性特征及分类

为了研究不同种类岩石在点载荷作用下塑性特征,通过室内实验测定了花岗岩、细砂岩、黄砂岩、玄武岩、粉砂岩、红砖在点载荷作用下位移-载荷曲线,得到了6种类岩石力学特性和塑性特征。粉砂岩、红砖和玄武岩的强度接近;黄砂岩、花岗岩和细砂岩强度呈现线性增大,且与刚度变化趋势相一致。随着强度的增加,变形呈现先急剧增长后缓慢下落的特点。根据曲线规律对岩石进行分类和分级,黄砂岩、粉砂岩、玄武岩和红砖均属于脆塑性岩石;玄武岩为塑性岩石,细砂岩为脆性岩石。通过塑性系数对岩石进行分类,细砂岩为脆性岩石,级别为1级,塑性系数为1;玄武岩为塑性岩石,级别为6级,塑性系数为6~∞;花岗岩塑性黄砂岩塑性粉砂岩塑性红砖塑性。岩石越致密越均质,弹脆性越好;孔隙越多越离散,塑性变形越明显。     

软岩硐室围岩作用关系分析

在现场锚注加固试验基础上,根据注浆量统计结果,对软岩硐室围岩间空隙分布进行反分析,采用FLAC建立相应数值分析模型,分析了不同支护围岩关系对支护体内力和围岩自承能力的影响以及支护体的变形破坏特征,得出的结论对改进煤矿大断面软岩硐室支护工艺有一定意义.图6,表2,参5.     

节理倾角对岩体冲击力学特性影响试验研究

地下岩体工程经常承受动态荷载,进行岩体的动态力学特性研究迫不及待.本文以落锤冲击试验机进行动态加载,通过相似材料预制试验岩石模型,开展了不同节理倾角与无节理岩体模型试件共四组冲击加载试验,对比分析岩石试验样品冲击过程中的力时程曲线与压缩位移时程曲线,得出在落锤冲击荷载作用下节理的存在降低了岩体所能承受的冲击力峰值,增加了其动态压缩位移,岩体节理倾角越小其动态压缩位移越大.     

基于改进遍布节理模型的岩石基坑开挖稳定性数值分析

为解决现有研究针对开挖于层状岩体中且边坡含高倾角外倾结构面的岩石深基坑开挖稳定性的研究相对欠缺的问题,本文依托徐州市地铁3号线南三环站基坑工程,通过对FLAC3D中既有遍布节理模型的改进,得到了可同时考虑层状岩体变形和强度各向异性的横观各向同性弹塑性遍布节理模型,基于该本构模型采用数值模拟分析的方法对不同岩层倾角条件下基坑及围护结构的变形情况进行了模拟分析。结果表明：地面沉降最大值和围护桩的最大水平位移均受岩层倾角影响,当岩层倾角为50°时上述量值最大。为定量分析岩层倾角影响下围护桩的变形规律,对模拟结果进行了数据拟合,获得了围护桩最大变形与岩层倾角的理论关系。强度折减计算结果表明,岩层倾角为50°时基坑开挖完成后的安全系数最低,并获得了不同岩层倾角下基坑开挖完成后边坡的安全系数分布及基坑边坡的潜在破坏面形式,给出了依托工程围护桩的桩间距优化建议。     

粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究

地下开采诱发顶板冒落的破碎岩石力学性质直接影响上覆岩层的移动规律。针对破碎岩石力学性质的研究,往往采用理论分析结合室内试验的方法,而室内试验的结果往往与真实现象之间往往存在尺寸效应,并不能直接应用到生产指导中去。本文采用模型试验的方法,对冒落带破碎岩石进行缩尺,利用自主设计的破碎岩石压实仪进行破碎岩石力学特性试验,得到4种不同粒径下碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石块径、压实应力对碎石压实力学特性的影响。研究结果表明：极限轴向应变随粒径的增大而增大,并且增长速率逐渐减小;岩样粒径越大应变增长率越大,所有岩样变形初期的应变增长率大于后期应变增长率;初始切线/割线模量随粒径的增大而减小,降低速率也逐渐减小,随着轴向应力的增大,割线/切线模量受粒径变化影响越大;轴向加载应力相同时,粒径越大的岩样压实度变化越明显,随着应力的增大,压实度呈对数增长。     

预制裂纹盐岩单轴力学特性及能量机制试验

盐穴储气库在水溶造腔时会产生大量溶蚀裂纹,为研究裂纹对盐岩强度和变形等力学性能的影响,利用MTS-815岩石力学实验系统,对不同参数裂纹盐岩的力学特性进行试验研究,采用对数应变对试验结果进行修正,分析了不同参数裂纹对盐岩的强度和变形的影响,并基于能量耗散理论分析其损伤破坏过程中的能量特征.结果表明:不同倾角裂纹降低了试样的峰值强度值,但降低量的多少与裂纹倾角大小未呈现明显的线性关系;不同长度的预制裂纹对盐岩峰值强度有明显的弱化作用,裂纹越长,弱化作用越大.外力做功产生的总应变能U绝大部分转化为耗散能Ud,小部分累积为可释放的弹性应变能Ue,导致盐岩内部产生损伤和塑性变形.破坏过程总能耗、耗散能、弹性应变能等,能量与应变关系曲线表现出明显的阶段特征;盐岩单轴压缩呈现压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段等4个阶段.     

断层破碎带隧道围岩敏感性及沉降控制分析

为探明施工隧道穿越断层破碎带时何种断层形态对围岩稳定性影响最为显著,以绵九高速公路五里坡隧道不同断层形态为例,采用三因素四水平数值模拟正交试验对围岩敏感性分析。此外,为避免隧道开挖至断层破碎带时围岩发生较大变形及破坏,保证隧道施工过程安全,对断层的响应特性进行概括,需对断层段围岩注浆加固提高其稳定性。最后,对注浆加固圈厚度分别为：0m、1m、2m、3m的断层段隧道施工过程进行FLAC 3D三维模拟,采用位移控制率均值K对隧道断层及前后段整个区段的围岩控制效果进行定量评价。结果表明：1）断层倾向在各水平条件下变化时,拱顶沉降和边墙位移基本不发生改变,其余两因素对隧道拱顶沉降和边墙位移的影响程度分别为：断层厚度＞断层倾角、断层倾角＞断层厚度。2）注浆加固圈厚度由0m递增至3m时,隧道轴向位移和塑性区面积依次减少,但注浆加固效果也明显下降。3）通过围岩控制率k定量分析注浆加固对位移的控制效果,断层前后段的位移控制率均小于断层处。可见,在既能保证工程安全,又能减少注浆的使用,加固圈为2m时效果最好。     

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.     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.