不同充填厚度节理面剪切破坏宏细观机理研究

为了研究不同充填厚度下节理面的剪切破坏行为和强度特性,综合前人对充填节理的试验与理论成果,考虑天然岩体复合结构的不规则粗糙表面形态,对实验室制备的类岩石材料充填节理试件进行室内剪切试验,并采用数值方法进行模拟验证。对比实验结果和模拟结果,从宏观和细观角度分析了充填节理的变形特性及破坏行为,研究了充填厚度对节理面剪切强度的影响关系。研究结果表明:在同一粗糙度下,不同厚度充填节理的破坏模式没有明显区别,主要表现为粘结面的破坏;在较小粗糙度下,充填节理的剪切峰值强度和残余强度均随着充填厚度的增加有一定程度的降低,但变化不大;在较小粗糙度和较小充填厚度下,试件沿与节理面起伏较大处成一定角度产生裂隙并逐渐贯通至试件底部,充填厚度增加,仍会产生裂隙,但不会贯通。     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石Ⅰ型裂纹弹塑性损伤破坏问题.对比分析表明,宏观尺度研究Ⅰ型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性.     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。     

基于颗粒离散元法的岩石节理面剪切破坏细观机理

基于颗粒流理论,以含不同粗糙度系数的岩石节理面为研究对象,利用PFC2D程序在恒定法向荷载(CNL)和恒定法向刚度(CNS)边界条件下进行直接剪切试验模拟,分别从宏观和细观角度探讨节理在不同边界条件下剪切过程中的力学演化规律和破坏机制。模拟值与JRC-JCS模型的预测值具有良好的一致性。研究结果表明:岩石节理面的抗剪强度及其对应的剪切位移以及残余强度随法向应力的增加而增大。CNL边界条件下的抗剪强度和残余强度比CNS边界条件的低,而法向位移比CNS边界条件的高;在整个剪切过程中,粒间接触力的分布和残余阶段最大接触力的变化趋势在2种边界条件下存在不同。节理面凸起位置容易发生接触压力集中现象,细观裂纹也主要聚集在凸起的位置且张拉裂纹占绝对优势。不论在CNL边界条件下还是在CNS边界条件下,试件在剪切过程中主要经历弹性阶段、稳定破裂传播阶段、非稳定破裂传播阶段以及残余阶段的稳定破裂传播阶段。     

散装铁精矿流态化宏细观机理

基于室内小型振动台对散装铁精矿进行动力试验,研究了散装铁精矿流态化发生的过程和机理.基于数字图像采集和分析系统,分析了流态化过程中铁精矿位移场、水分迁移以及颗粒运动规律,从宏细观两方面揭示了散装铁精矿的流态化演化规律.试验结果表明:铁精矿产生流态化的主要原因是在动力荷载作用下,铁精矿细颗粒沿着粗颗粒孔隙向下迁移和颗粒表面水下落汇集形成水膜后向上流动.该结论为进一步探究铁精矿的流态化预防措施提供了理论依据.     

充填节理破坏机理及实验

充填节理的破坏主要有充填物破坏和充填物与节理接触面破坏两种形式,其抗剪强度与最小抗剪部分的强度相同.当充填物破坏时,单独对充填物部分进行受力分析,得到此时的节理抗剪强度公式.讨论了充填节理强度随法向压应力及充填厚度的变化规律:随着法向压应力的增加先增大后减小,但随充填厚度的变化并不十分明显.对不同厚度的砂浆充填节理进行直剪试验.结果表明:其剪切强度与破坏模式有关;在同一破坏模式下,不同充填厚度的节理其剪切强度变化不大.     

矩形基础地基破坏机理细观模型试验

采用自行研制的土体数字化变形测量装置,对承受中心荷载的矩形基础进行了室内细观模型试验,重点研究矩形基础沿着长边和短边剖面上土体位移发展直至破坏的全过程。研究结果表明:矩形基础下地基土位移的影响范围随着荷载增加而不断向竖向及水平方向扩展,沿着矩形基础长度和宽度方向竖向位移的影响深度在破坏时趋于一致,而基础宽度方向的水平位移影响范围约为长度方向的1.5倍,且沿着基础宽度方向地表隆起变形比长度方向大,沿着长度方向滑动面主要由基础两边的剪切滑动区及基础正下方的倒梯形弹性平衡区构成,沿着宽度方向弹性平衡区为三角形,矩形基础下弹性核的形状为横置的三棱台。研究结果为矩形基础地基破坏模型的建立提供了理论依据。     

冻融裂隙砂岩三轴压缩破坏特征宏细观试验研究

裂隙岩体在冻融作用影响下在其内部产生损伤,为研究不同裂隙砂岩冻融作用下的力学特性、破坏模式及细观孔隙结构,采用三轴压缩试验和核磁共振试验开展冻融裂隙砂岩三轴压缩的宏细观损伤破坏规律的研究。结果表明：冻融后砂岩的峰值强度、弹性模量降低,泊松比呈倒“V”形,峰值强度随着裂隙倾角的增大呈现出逐步递减的趋势,裂隙倾角为90°时为最不利情况;破坏后岩样内部中孔升高,大孔大幅提升,宏观上表现为砂岩在三轴压缩过程中出现明显裂缝,且裂隙砂岩在冻融作用后的破坏模式趋于复杂;核磁共振谱面积随裂隙倾角的增大而增大,破坏后谱面积进一步增大,T₂谱出现新的第三峰,大孔隙占比增大。冻融作用下寒区裂隙岩体的宏细观破坏规律的研究对寒区岩体工程稳定性评价具有重要意义。     

不同应力路径下砂岩的宏细观力学响应特性

为了研究应力路径对砂岩的宏观、细观力学响应的影响,基于颗粒离散元方法构建了空心圆柱试样并开展了6组不同应力路径的试验,分别研究了砂岩试样在不同应力路径下的宏观应力-应变响应,以及细观法向与切向接触力的分布规律。研究结果表明：当试样内围压相同时,随着外围压的增加,试样破坏时的体积应变也随之增加,即试样的膨胀现象愈加明显;当试样的外围压相同时,随着试样内围压的增加,试样破坏时的体积应变随之先增长后减小。在中主应力系数不为0时,中主应力系数越大,试样的径向应变与环向应变之和的绝对值越大。在内围压相等的情况下,随着外围压的增加,试样的法向接触力增加。当外围压相等,内围压增大时,试样的法向接触力减小。     

花岗岩受压宏-细观破坏特征及能量演化规律

为揭示花岗岩单向受压时的破坏特征及能量演化规律,首先,通过偏光显微镜观察分析了花岗岩的矿物成分、含量及颗粒形貌;其次,开展了花岗岩的室内单轴压缩及巴西劈裂试验,得到了相关应力应变曲线及力学参数;然后分别从宏-细观角度分析了花岗岩单轴压缩的破坏特征,并借助场发射扫描电子显微镜观察了破坏断口的形貌特征;最后,基于能量理论分析了花岗岩在单轴压缩过程中的能量演化特征。结果表明,花岗岩属于典型的非均质脆性岩石,其单轴压缩应力应变曲线几乎没有屈服阶段,弹性阶段应力达到峰值后瞬间爆裂,且无残余强度;花岗岩单轴压缩破坏机制为剪、拉耦合破坏,且二者空间分布位置不同;花岗岩在达到强度极限前储存了大量的弹性应变能,这是孕育岩爆的根本原因,而花岗岩单轴压缩过程中能量的演化不存在减速损伤阶段和残余损伤阶段,这是导致岩爆产生的主要原因。     

基于颗粒离散元法的岩体结构面锚固机理细观研究

为了研究锚杆加固节理岩体的锚固机理,借助颗粒离散元软件PFC2D软件内嵌FISH语言分析了加载过程中锚杆和结构面之间的相互作用机理以及锚杆内部轴向和剪切应力情况,探讨了锚杆对结构面锚固效应和锚杆的变形破坏规律。结果表明:锚杆在剪切荷载作用下容易在结构面和锚杆交界位置发生"S"形变形并在节理面两侧形成塑性铰,导致锚杆在塑性铰处发生拉弯屈服,揭示了锚杆在剪切作用下的拉弯屈服机制,并从细观机制上阐明了锚杆对岩体结构面的支护作用主要体现为结构面内聚力的提高。     

砂土颗粒粗糙度对剪切特性影响细观机理分析

基于PFC2D离散元软件建立了数值双轴试验模型,采用Clump单元构造了不同粗糙度的砂土颗粒,研究了砂土颗粒粗糙度对剪切特性影响的内在机理.基于傅里叶级数近似法,阐述了强弱力链中各细观组构的分布规律以及强力链中组构各向异性系数的演化特征;根据宏细观参数间的定量关系,揭示了宏观响应与细观组构演化之间的内在关联.模拟结果表明:颗粒粗糙度越大,砂土抗剪强度越大;强力链为试样承担轴向荷载的主要载体;颗粒粗糙度对砂土抗剪强度的影响主要体现在强力链切向接触力组构各向异性特征上.     

标准砂-钢板接触面剪切失效机理的宏细观研究

为探究标准砂-钢板相互作用失效机理,分析接触面受力变形情况,使用特制的带有观察窗的半模直剪仪对标准砂-钢板进行单调剪切试验,对其应力变形特性进行研究,并利用MiVnt和PFC2D进行细观分析。试验结果表明:标准砂-钢板接触面的剪应力-位移曲线呈现加工硬化,可视为理想弹塑性模式,曲线划分为线性增长、缓慢增长和水平发展三阶段;剪切过程中接触带孔隙率的变化规律和孔隙大小的变化规律相吻合;单调剪切过程中,接触面颗粒运动状态分为三类,对应剪应力-位移曲线的三个阶段,接触面通过颗粒的运动传递剪应力。     

基于中心组合设计的颗粒流平直节理模型宏-细观参数相关性研究

基于控制变量法,研究细观参数对宏观力学参数的影响规律,确定细观参数取值范围;采用适合多因素、多水平的中心组合设计方法及多元回归分析,建立岩石类材料PFC2D平直节理模型的宏-细观参数关系式,并计算得到不同岩石PFC2D细观参数;采用计算得到的细观参数通过PFC2D模拟分析单、双轴压缩下完整岩石试件的应力-应变曲线和单轴...     

节理岩体中隧洞围岩的损伤破坏机理

结合细观节理形态的变化,在二轴围压条件下,数值模拟了节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程,研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理,分析了岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律.结果表明:裂隙的产生和发展延伸主要是拉应力的作用,裂隙延伸方向大致与节理面垂直;节理倾角较小时,岩体中破裂以垂直于节理面的拉裂隙为主;节理倾角较大时,岩体裂隙以沿节理面的滑动裂隙为主;不同倾角的节理面对岩体破坏的脆性也有较大影响;岩体破坏前有大量微裂隙产生,同时伴随着声发射能量的释放,利用微震监测技术抓住这些微破裂前兆信息,能够较好地进行隧洞塌方、冒顶、岩爆等灾害预测,提前做好支护等应对措施,以保障人员、设备安全.     

剪切荷载下岩体结构面-浆体-锚杆相互作用机理宏细观研究

基于PFC中FISH语言,采用双线性锚杆本构模型对岩体加锚节理面在剪切荷载作用下的力学行为进行数值模拟研究,通过变化锚杆刚度和浆体强度,深入研究岩体结构面-浆体-锚杆相互作用下锚固体系宏细观力学响应。结果表明:加锚节理面的力学响应与锚固结构的力学性质密切相关。锚杆刚度越大,节理面宏观抗剪强度越高;随着锚杆刚度的增加,岩体和浆体中的裂纹也越来越多,锚杆对浆体和岩体的损伤逐渐增加。岩体结构面-浆体-锚杆相互作用,裂纹的产生首先起于节理面上和锚杆与节理面交叉处,随着剪切位移的不断增加,节理面上的裂纹在接触力集中的地方继续产生,而在锚杆周围则由锚杆与节理面交叉处向锚杆两端继续扩展,且裂纹集中在锚固体系的受压侧,主要为由压致拉机理导致的张拉裂纹。浆体的强度过小或过大都可能导致锚固体系中裂纹数量的增多,且裂纹以张拉裂纹为主。当浆体强度较低时,裂纹主要集中在浆体中,而当浆体强度较高时,裂纹主要集中在岩体中。因此,在对节理岩体进行加固的过程中,应综合考虑节理面宏观上的抗剪强度和细观上锚固体系的损伤,以实现锚固体系的宏细观耦合支护。分析结论对于节理岩体的锚固支护设计具有参照价值。     

泥石流“锚杆-护坡”防治模型试验宏细观机理

通过滑坡型泥石流“锚杆-护坡”防治室内模型试验,分析了泥石流防治的宏细观机理.试验结果表明,雨水渗出量和降雨量差异造成孔隙水在坡体内积蓄、孔隙水压增高,但坡体未出现分层滑动现象,仅发生了入渗软化和小规模蠕动.细观机理分析表明,坡体中水土细观运动分为“水在颗粒中渗透”和“颗粒在水中浮动”2种模式,细颗粒随雨水渗流在颗粒骨架间下沉并发生平行于坡底的运动,最后因“锚杆-护坡”的滤水固土作用而逐渐沉积并保持稳定.试验宏细观分析表明：颗粒的细观运动改变了模型试验坡体的破坏机理,坡体结构由不同粒径颗粒均匀分布变为“底部细颗粒积聚密实,上部粗颗粒骨架稳定”结构,降低了滑坡型泥石流的发生概率.     

节理发育反倾边坡破坏机理分析及模拟

为了解决边坡岩体结构的稳定性评价及其力学变形特性,采用了离散单元理论和利用UDEC(Universal Distinct Element Code)技术,用离散块体模拟节理发育反倾边坡破坏机理和加固变性过程。将此理论和技术应用于贵阳市乌开公路K44+340～K44+450段右侧滑坡工程;研究了塑性变化范围和发展趋势;同时还利用独有的离散滑动的优势分析软弱结构面上的块体滑移和节理张拉破坏的演变过程,该成果对岩体边坡工程具有一定的参考价值和指导意义。     

岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析

利用最新研制的与CT机配套的专用加载设备,进行了三轴(单轴)荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的动态CT(Computerized Tomography)试验.得到了在不同荷载作用下岩石从微孔洞被压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏直到卸载等各个阶段清晰的CT图像.对得到的CT数等数据进行了分析,给出了应力损伤门槛值,得到损伤扩展的初步规律.     

不同压剪应力比作用下节理类岩石材料破坏模式的试验研究

通过对含充填节理类岩石材料试件进行变角度压剪试验,探究不同压剪应力比作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响。定义削弱度,分析节理倾角对岩体抗剪强度的影响。研究结果表明:不同压剪应力比影响试件的初始破坏模式,最终破坏由过大剪切位移所致,并且节理倾角决定试件破坏后的形态;压剪应力比越大,同角度节理试件的抗剪强度越大;在相同压剪应力比下,与无节理试件抗剪强度相比,节理会削弱试件的抗剪强度,倾角不同,削弱度不同。