基于变形元件的节理岩体压缩损伤本构模型

为研究节理岩体在压缩荷载作用下的力学响应,基于岩体结构力学观点,把节理岩体在压缩荷载作用下的变形视为岩块变形与节理面变形的叠加,分别采用基于统计损伤模型的弹性损伤变形元件和考虑节理面闭合及滑动的变形元件计算岩块和节理面在压缩荷载作用下的变形,进而建立相应的节理岩体压缩损伤本构模型。并利用该模型讨论节理面弹性模量、最大闭合应变及剪切刚度等对计算结果的影响规律。最后利用该模型对含单条贯通节理的岩体在压缩荷载作用下的应力-应变曲线进行分析计算。研究结果表明:对于可能沿节理面发生剪切滑移的岩体而言,节理面剪切刚度对计算结果的影响最为显著。对本算例而言节理岩体的峰值强度仅为完整岩体的51.5%,反映节理对岩体强度的弱化效应。同时利用该模型得出岩体强度随节理倾角呈现出抛物线变化规律,即当节理倾角在50°~60°之间时,岩体强度最低,该结论与目前的理论及试验研究结果相吻合,从而说明该模型的合理性。     

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.     

断续节理岩体尺寸效应的数值模拟研究

基于细观统计损伤数值模型,通过统计宏观节理分布,建立包含随机节理的岩体模型。在不同尺寸的模型中,通过改变节理倾角、围压等,建立不同数值试样,试验研究岩体的节理倾角和应力水平对尺寸效应以及岩体力学参数的影响规律。结果表明:在随机节理岩体中,裂纹的萌生与贯通更容易发生在节理密集的薄弱面内,即优势破坏面;节理倾角对岩体的尺寸效应影响巨大,不同倾角下的节理岩体的特征尺寸与特征强度有很大差异,节理倾角β为60°、45°、30°时影响较为明显,β为75°、15°时影响较弱;模型尺寸为0.5 m×0.5 m时极限强度离散较大,随着尺寸的增加逐渐集中,整体的破坏模式由脆性破坏向渐进劣化转变,同时应力-应变曲线更加平缓;围压施加后,节理岩体仍然具有明显的尺寸效应,特征尺寸与特征强度均有所提高,降低主次优势破坏面之间的差异,会使更多裂纹在次优势破坏面中发育。     

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．     

考虑结构面损伤的岩石本构模型与工程应用

含结构面的岩体在应力加载-卸载作用下破坏机理非常复杂,建立含结构面岩体的损伤本构模型是研究的难点。通过对含结构面的岩体建立三维数值模型,研究分析岩体在三轴压缩下的破坏特征,发现含结构面岩体的峰值随着围岩的增加而升高,在单轴压缩下,岩体的峰后强度几乎为零;且含结构的面岩体存在损伤阀值点,得出了岩体损伤劣化行为发生的原因。根据微元统计理论建立了损伤变量与岩体劣化破坏之间的概率密度关系,通过引入修正系数调整了岩体因含有结构面的初始损伤,并拟合出围压与峰前弹性模量的非线性关系,推导出含结构面岩体的损伤本构方程。与已有损伤本构方程进行数据对比,发现本方程可更加准确描述结构面的损伤演化特征,通过FISH语言实现对FLAC3D的二次开发,将本构方程程序化,并以此研究分析了青岛某交叉隧道施工中的沉降问题,发现采用损伤本构模型计算结果与现场实测数据吻合程度较高,反映出损伤本构模型能较好的描述风化花岗岩的损伤劣化效应。建立的含结构面岩体的损伤本构方程对实际施工及理论研究具有重要的参考价值。     

考虑岩石破裂后变形特性的巷道围岩特征曲线

绘出了岩石破坏后侧向应变与纵向之比与围压之间的定量相关关系,并利用霍克布朗(Hoek-Brown)的节理岩体经验强度准则,推导出了考虑岩石破坏后变形特性的巷道围     

非贯通节理岩体等效强度及破坏特性

应用PFC2D数值模拟软件,选取适当的细观力学参数,建立非贯通节理岩体试样数值模型并进行双轴试验,设置监控圆监测岩体压缩过程非贯通节理面上不同位置应力及其变化情况。以莫尔-库仑强度准则为基础,对非贯通节理的等效强度参数进行推导,提出含非贯通节理的岩体等效强度公式。建立等效岩石试样和节理岩体试样数值模型进行双轴压缩试验,对含非贯通节理岩体等效强度进行数值模拟。研究结果表明:双轴压缩过程岩桥上应力大于相同时刻节理面上的应力,且岩桥达到峰值强度时节理面并没有达到峰值强度。等效强度公式计算得到的非贯通节理岩体强度与数值模拟得到的强度比较接近,应力-应变曲线基本一致。     

基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型

提出考虑宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型。首先介绍仅考虑微裂纹等细观缺陷影响的岩石损伤本构模型及仅考虑节理等宏观缺陷影响的岩体损伤本构模型,其次基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏观和细观缺陷耦合的复合损伤变量,从而建立基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型,最后通过引用岩石单轴压缩试验资料对模型合理性进行验证。研究结果表明:该模型能够较好地同时反映宏观和细观缺陷对岩体应力应变曲线的影响。同时采用该模型对含不同倾角的单节理岩体和含多条平行节理的岩体在单轴压缩荷载下的应力应变曲线进行分析,所得结果与相关文献中的试验及理论结果具有很好的一致性,说明了该模型的合理性。     

裂隙岩体中隧道变形破坏的节理有限元模拟计算

裂隙岩体是地下工程施工中经常遇到的一类岩体,研究其变形和破坏机理是工程安全施工的保证。以天平线关山隧道工程为例,采用基于修正Goodman单元的节理网络有限元法,将裂隙岩体看作由岩块和节理、裂隙组成的二元结构,其中岩块和节理、裂隙分别采用线性Mohr-Coulomb强度准则和非线性Barton-Bandis剪切强度准则。通过有限元软件Phase~2模拟分析了隧道开挖过程中裂隙岩体的变形破坏特点以及不同工况下隧道拱顶的沉降量,并讨论了Barton-Bandis准则中节理粗糙程度(J_(RC))的取值对围岩稳定性的影响。研究方法为裂隙岩体的数值计算提供了新手段,节理粗糙度(J_(RC))的反演结果能为支护设计和加固措施提供参考依据。     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

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Mogi-Coulomb统计损伤本构模型及渗透性突变的研究

摘要：在基于Lemaitre应变等价性理论和岩石微元强度服从 Weibull 随机分布的基础上,引进Mogi-Coulomb准则作为岩石微元强度的表示方法,并深入研究岩石压缩破坏过程中损伤变量的变化规律,建立了统计损伤本构模型,该模型可以较好的反映岩石在不同围压下压缩破坏对应的损伤阀值。通过岩石三轴应力–应变试验曲线对模型进行验证,并与基于Drucker-Prager和Mohr-Coulomb准则的损伤模型的模拟曲线相比较,表明基于Mogi-Coulomb准则的损伤模型能较好的模拟岩石应力应变关系,特别反映了不同应力状态对损伤阀值的影响及岩石低应力水平的线弹性特性。最后将考虑损伤阀值且基于Mogi-Coulomb准则建立的损伤统计本构模型应用于岩石渗透性突变点和对应的临界破坏强度的研究,本模型的预测值与试验值较吻合,表明该模型的合理性和可行性,具有良好的应用前景。     

岩石损伤本构模型及稳定性分析中的应用

从损伤力学出发,考虑Mohr-Coulomb准则的损伤门槛以及Hoek-Brown强度准则的残余应力,基于岩石强度的Weibull分布假设,提出一种新的岩石损伤本构模型。结果表明此岩石损伤模型能较好地反映岩石应力-应变全曲线;通过损伤模型对岩体强度与变形规律的分析,计算出CDP模型参数,用ABAQUS进行数值模拟。从能量的角度研究结构的破坏过程,用最大弹性变形能来判别结构破坏。结果认为岩体的强度破坏实质上是稳定性问题,属于极值点失稳;并结合塑性区贯通验证合理性,对于研究岩石、混凝土损伤及稳定性有一定的参考价值。     

蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩三轴试验及本构模型

利用岩石全自动伺服试验仪对重庆蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩的砂岩试样开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,进而构建了包含统一硬化/软化函数的弹塑性本构模型并进行了验证。试验结果表明,随着围压的增大,由原生缺陷闭合引起的初始非线性变形阶段逐渐减小,试样破坏时的峰值强度随围压增大而增大,由单轴压缩时的84.8MPa增大到围压10MPa时的168.5MPa;峰值强度和围压之间呈现较好的线性关系,黏聚力和内摩擦角分别为15.2MPa和52°。数值模拟与试验数据的比较表明,提出的弹塑性本构模型能够描述砂岩的主要力学现象,验证了该模型的可靠性。     

水泥土强度特性和损伤本构模型研究

为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型,开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验.考察了围压对水泥土力学参数的影响规律,建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则.假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度,建立了考虑围压的统计损伤本构模型.结果表明,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线,且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象.室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似,均随轴向应变增加呈"S"型单调递增.冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加,在轴向应变很小时,损伤变量就达到较大值.     

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。     

共面断续节理岩体直剪强度特性模型

采用理论分析和模型试验相结合方法,对共面闭合断续节理岩体直剪强度特性进行分析和研究.引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导共面断续节理岩体模型的直剪强度公式.模型试验表明:全应力-应变曲线主要经历了线弹性增长、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;剪切应力峰值和残余强度都随正应力的增大而增大,而变形特性随正应力的变化规律性不强;抗剪峰值强度随节理连通率的增大而减小,低连通率时强度下降速度慢;节理分布形态对强度也有影响,节理在两边分布的试样强度普遍高于节理在中间的;理论计算结果与试验值吻合较好,能较好描述共面断续节理岩体的直剪强度特征.     

考虑应变软化特征的层状岩体三轴压缩数值试验分析

考虑岩体应变软化特征,利用快速拉格朗日差分法建立三维数值计算模型,分析岩样在三轴应力作用下应力变形关系和抗剪强度参数的变化情况.研究结果表明:围压对岩体变形性能的影响较显著,其与岩样到达峰值时的变形量呈线性关系;压缩峰值强度与残余强度的比值随围压的增加逐渐减小,岩体破坏类型逐渐由脆性破坏过渡到延性破坏;岩样软、硬夹层之间存在交互作用,在结构面倾角变化过程中,部分岩样的抗剪强度被弱化,部分增强;数值模拟结果与试验分析结果较符合,能够直观和全面地反映层状岩体的破坏和变形特征.     

三轴压缩下不同岩性煤岩体的强度及变形特征

煤矿井下存在多种岩性的煤岩体,其力学强度和变形特征直接影响巷道支护效果。利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,进行了不同围压下砂岩、矸石与煤样的三轴压缩试验,采用莫尔准则诠释了不同岩性的试样破坏角大小不等,通过图形对比和现象分析,得到了围压对3种不同岩性的试样应力、应变曲线及变性特征的影响。结果表明:3种性质的试样三轴压缩过程中都经历了初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,且围压越大,试样初始压密阶段越长;在试验加载的围压范围内,3种性质的试样破坏形式并不相同,且3种不同岩性的试样破坏角大小相差较大,砂岩破坏角最大,煤破坏角最小,3种性质的试样其峰值强度随着围压的增大而增长;3种性质的试样符合Coulomb强度准则,依据莫尔应力圆给出3种试样内聚力和内摩擦角的大小;随着围压的增大,3种性质的试样弹性模量呈增大趋势,且围压对试样弹性模量的影响因试样类型的不同而不同。     

芒硝力学特性及其本构模型

为了解芒硝的力学特性,在MTS815岩石伺服试验机上对其进行了力学试验,包括单轴压缩试验和等围压三轴压缩试验,并对其强度和变形特征进行了分析。分析表明,芒硝在单轴压缩下表现应变软化特性,且强度很低,属于软岩的范畴;当围压在5 MPa以上时,芒硝表现明显的应变硬化特征。根据芒硝变形特性,提出了以岩石塑性应变作为微元统计分布变量,同时引入一个能够反映岩石破坏部分承载力的比例系数,建立了能够反映岩石应变硬化特征的损伤统计本构模型,并用试验资料对其进行了验证。结果表明,该模型能够较好地反映芒硝岩样的破坏全过程,且在单轴压缩下,芒硝微元破坏部分承受的力很小,可以忽略;而在高围压作用下,微元破坏部分承受的力比较大,不能忽略。