断续节理岩石破坏过程数值模拟研究

采用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，通过对岩石断续节理在压剪荷载作用下的声发射和位移特性进行数值分析，研究岩石断续节理的破坏过程。数值模拟显示了试件的破坏过程、试件破坏所表现的声发射特征以及不同节理角对岩石破坏过程的影响。研究表明，岩石断续节理破坏过程具有几个明显的不同阶段，节理的倾角对破坏过程具有明显的影响。     

充填节理岩体中应力波传播特性研究

在考虑节理接触面与充填材料共同变形的前提下,文章基于时域递归法推导了应力波在充填节理处的传播方程,并对其进行了对比验证;分析了节理接触界面刚度、节理厚度及入射角度对波在充填节理处传播特性的影响规律;依据应力均匀性假定,将充填节理简化为不考虑厚度的位移不连续模型,考察了充填节理法向与切向力学性质的变化规律。结果表明:所推导的波传播方程计算值与相关研究结果吻合较好,通过迭代可求出反射波与透射波的数值解;在相同的节理厚度和波入射角度下,透射系数随节理接触界面刚度的增加而增大,反射系数则逐渐减小;不同节理厚度下等效法向与切向刚度均随接触面刚度的增加而增大,而随节理厚度增加,等效法向与切向刚度呈降低趋势。研究结果对揭示应力波在节理岩体中传播规律具有一定参考价值。     

基于分形理论的岩体原生节理分布特征研究—以长河坝水电站为例

由于岩体内部结构面的分布规律具有随机性、复杂性的自相似的特征,可以运用分形理论对其进行研究。通过现场节理调查,描绘了待爆破区域原生节理的分布网络,并统计分析了节理迹长和倾角的概率分布模型;运用盒维数计算方法得出了结构面分布的分形维数D,讨论分形维数D与岩体的工程质量以及结构面分布之间的关系,实现了对岩体的工程性质以及不同尺度结构面的定量对比分析。结果表明:节理面的倾角和迹长分别服从正态和对数正态分布;江咀料场节理分布的分形维数D=1.315,响水沟料场节理分布的分形维数D=1.275,河口料场断层系的分维数D=1.164,可见分形维数D越大,结构面越发育,岩体的工程质量就越差;另外随着调查尺度范围的增大,分形维数D反而减小。研究结果可对分形理论在岩土工程质量评价及节理岩体的爆破块度预测等方面提供参考价值。     

节理岩体数值模拟及力学参数确定

采用FLAC3D程序和离散裂隙网络技术构建的遍布节理岩体模型能同时考虑节理岩体中节理和岩体的作用,具有概念清晰、建模快捷、计算效率高等特点. 首先对现场结构面测绘数据进行统计分析,获得其概率分布特征参数,在此基础上分两尺度考虑节理并确定其离散裂隙网络模型;其次基于离散裂隙网络模型构建相应的节理岩体模型,研究其强度特征并获取工程岩体单轴抗压强度;结合Hoek-Brown、Mohr-Coulomb准则及最大围压拟合综合确定节理岩体力学参数;最后将拟合所得参数用于边坡稳定性分析,分别运用强度折减法和极限平衡法计算两种模型的安全系数,对比发现计算结果基本一致,表明所提出的研究思路用于确定节理岩体参数是可行的.     

反复直剪试验节理强度与粗糙度变化的研究

通过对人工模拟节理在不同法向应力作用下的4次反复直剪试验,分析节理峰值抗剪强度与反复剪切次数之间的关系以及节理粗糙度系数CJR退化与剪切次数之间的关系,并提出考虑反复剪切次数n的节理峰值强度公式和节理粗糙度系数CJR衰减的经验公式。研究结果表明:峰值强度随剪切次数的增加逐步减少,但第1次直剪试验得到的峰值抗剪强度与第2次直剪试验得到的峰值抗剪强度差异最明显,后3次直剪试验得到的峰值强度较接近;在相同的法向应力作用下,CJR随剪切次数的增加而减少,但减少速率逐步变小。     

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.     

贯通节理岩体等效模型与弹性参数确定

提出了一种研究贯通节理岩体等效弹性参数的近似模型,导出了贯通节岩体基本弹性常数的解析估算公式,在此模型基础上编写了相应的较为通用计算程序,分析了多组节理的存在以及节理的倾角对岩体性能的影响,预测得到的节理岩体弹性矩阵和弹性常数与节理有限元数值方法的结果十分接近,是一种预测贯通节理岩体等效弹性参数的简单而实用的方法。     

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.     

影响双向节理岩质边坡稳定性因素的灰色敏感性分析

通过系统分析双向节理岩质边坡的工程破坏现象,总结了影响稳定性的5大因素:节理间距、节理摩擦角、节理倾角角度差、开挖坡脚以及块体的内摩擦角。运用UDEC离散元数值模拟方法和强度折减法作为边坡安全稳定性评判方法,利用上述5大因素构建正交试验方案,系统研究5大因素对双向节理岩质边坡稳定性的影响。最后运用灰色关联法分析了5大影响因素对双向节理岩质边坡稳定性的影响权重,结果表明:5大影响因素中权重最大的是块体内摩擦角和节理摩擦角,而节理倾角差、节理间距、坡体开挖角度对边坡稳定的影响力较小,因此在工程中需要着重关注块体内摩擦角和节理摩擦角的取值。     

叙大铁路隧道节理特征对围岩变形的影响

节理发育是隧道变形的主要影响因素之一。以叙大铁路隧道节理的发育特征情况为背景,采用离散元软件UDEC对隧道围岩节理特征进行了数值模拟,分析了围岩节理组数、倾角、间距以及围岩支护对隧道变形的影响。研究结果表明,隧道变形随节理组数增大而增大,主要点变形区域受节理倾角控制,当隧道节理间距小于1cm时,对隧道围岩变形影响较大。     

金川铜镍硫化矿床Ⅲ矿区工程地质研究

为了对金川Ⅲ矿区进行采矿技术条件评价及采矿方法分析,开展了矿区的工程地质调查与研究.根据工程地质调查和节理裂隙分析,得出矿区节理条件以及矿岩体稳定性影响.通过对矿岩物理力学特性的分析,揭示了在整个矿区中,矿石稳定性最好,下盘次之,上盘最差,且由于断层的存在,矿床岩体存在软弱破碎带.同时,对多种不同的勘探资料进一步进行分析,得出了该矿区的节理间距、节理产状从北东向北西偏转以及岩石破碎程度等特征.这些调查和研究,为金川Ⅲ矿区进行采矿方法及关键技术研究提供了基础数据,并为下一步的研究奠定了理论基础.     

节理特性对岩体力学性能的影响

采用颗粒流模拟研究单轴压缩下节理特性对试件宏观力学参数、能量及波传播规律的影响,揭示裂纹扩展演化机理及破坏模式的变化规律,定义细观节理刚度比和强度比反映节理力学特性。研究结果表明:峰值强度、弹性模量、起裂应力随节理厚度增加、刚度比的下降而不断减小,泊松比随节理厚度增加而大幅度增加,节理强度比直接影响峰值强度;与张开节理相比,节理充填物降低尖端应力集中,导致试件损伤破坏程度及破坏模式的改变,同时引起宏观力学参数增大,并随节理刚度减小,逐渐趋近前者。通过在模型内设置激发源和接收器,对激发源施加速度脉冲模拟剪切波和压缩波的传播过程,节理对波幅影响远大于波速,充填节理透射系数明显大于张开节理透射系数,前者随厚度增加衰减更快,与纵波相比,横波随节理弱化衰减较快。     

不同地应力下应力波在节理岩体中传播试验

在地应力作用下,应力波在节理岩体中的衰减规律是近些年在深埋地下工程中的热点问题.本研究设计了可同时模拟单条节理和多条节理的组合砂浆试块模型试验,自制地应力加载系统,其尺寸为180 cm×80 cm×25 cm.为避免炸药爆炸应力波与爆生气体难以分离的情况,提出一种电火花震源替代炸药震源激发应力波的方法,分析了应力波在地应力荷载下单条节理和多条平行节理中的传播衰减规律.试验结果表明,当电火花激发电压为2500 V时,随着地应力从0.5 MPa增加到5.0 MPa,地应力对波传播有一定的抑制作用,应力波在节理岩体中有效波速随地应力的增加而增大,单条节理与多条节理岩体中透射系数都随地应力增加而减小.     

周口店车厂地区“胛痕”特征及成因分析

车厂地区房山复试岩体发育多组节理,多以胛痕的形式出现.调查统计显示车厂地区发育三组节理,分别为近南北向张节理、近东西向剪节理、北西南东向剪节理.胛痕为肉红色,呈梗状凸起,沿节理走向发育,沿裂隙面绿泥石化发育.该文旨在研究其节理伴生现象“胛痕”的特征及成因:房山岩体发育各种构造裂隙,均被富舍挥发份、石英和长石的晚期残余岩浆所充填和胶结,形成钾长石、压扁石英以及云母的富集,发生硅化,后期差异风化作用形成多条梗状凸起,即“胛采”.     

基于不同节理模型的岩体边坡稳定性分析

利用离散元对节理岩体工程进行稳定性分析时,节理的本构关系对分析结果有重要的影响.详细介绍了基于离散元UDEC软件,利用Barton-Bandis(BB)和Mohr-Coulomb(MC)本构模型分析节理岩体边坡稳定性的主要区别.在BB模型中,由于膨胀角随剪切运动呈非线性变化,节理岩体边坡分析所得到的运动规律与现场监测数据所反映的边坡运动规律一致,而MC模型分析结果则与现场监测数据所反映的边坡运动规律相差甚大,因此,离散元中BB模型更适合于用来分析节理岩体工程.根据BB模型模拟分析的结果,对依托工程边坡采取了喷射厚度10 cm混凝土进行加固的措施,模拟结果表明,喷射10 cm混凝土对边坡稳定性起到了良好的加固作用,依托工程正是按此加固方案进行施工.     

多组节理岩体洞室的蠕变特性及其粘弹塑性效应

本文在岩体节理面剪切蠕变试验和完整岩石扭转蠕变试验的基础上,探讨了多组节理岩体的剪切变形规律、各向异性性态及其时间效应,用试验论证了对节理面采用所建议的“弹-粘塑性”力学模型的正确性,分别推导了在不同应力状态下节理面、完整岩石和多组节理岩体粘塑性应变速率的计算公式,提出了节理岩体大断面洞室考虑分步开挖和不同支护时间的粘弹塑性有限元数值方法.通过对某地下工程实例的计算,得出多组节理岩体洞室稳定的定景分析和评价,以及工程设计和施工的若干合理化建议.     

横观各向同性岩石亚临界裂纹扩展实验研究

在MTS Insight电子拉力试验机上采用常位移松弛法,对具横观各向同性的板岩开展亚临界裂纹扩展试验研究,获得应力强度因子KI与裂纹扩展速率v的关系及I型断裂韧度KIC,揭示不同节理倾角α下裂纹亚临界扩展规律。研究结果表明:各个节理倾角下的lgK_I-lgv具有很好的线性规律;当节理倾角为0°~45°时,回归参数a随倾角的增大而增大,回归参数b随倾角的增大而减小;当节理倾角为45°~90°时,回归参数a随倾角的增大而减小,回归参数b随倾角的增大而增大,亚临界裂纹扩展参数A和n分别与回归参数a和b变化规律相同;断裂韧度KIC以及松弛最大荷载P_(max)均符合"U"型抛物线分布,当节理倾角为0°~45°时,两者随倾角的增加而减小,当节理倾角为45°~90°时,两者随倾角的增加而增大,同时,两者均在节理倾角为0°时取得最大值,在节理倾角为45°时取得最小值。     

节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

通过实验研究不同节理倾角和间距对TBM双刃滚刀破岩的影响效果。实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体,节理面与侵入力方向夹角?分别为0°,30°,60°和90°,节理面间距分别为20,30,40和50 mm,采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力,并采用相机进行实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。研究结果表明:节理岩体存在3种基本破碎模式,主要与节理倾角有关;相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹,形成片状岩碴;当节理倾角为60°时,破岩比能耗最小,滚刀破岩效率最高;节理间距对岩碴的形成有较大影响,比能耗随着节理间距增大而增大,破岩效率降低。     

基于数值仿真的复杂岩体TBM掘进性能评估模型

为了评估全断面隧道掘进机(TBM)在复杂岩体环境中的掘进性能,本文提出了基于数值仿真的全断面TBM掘进预测模型。首先,采用4D-LSM和DDA耦合模型数值重现工程尺度完整岩体和节理岩体的TBM掘进测试过程,分析全断面TBM掘进过程中刀盘的力学响应和岩体的破坏特征;其次,研究节理间距、节理方向、岩体单轴抗压强度以及脆性指数对可钻性指数的影响;最后,引入单神经元对数值仿真预测模型进行修正,并与岩体特征模型进行对比分析,验证基于数值仿真的全断面TBM掘进性能预测模型的适用性。研究结果表明：TBM在低强度、高脆性以及节理发育的岩体中掘进效率更高,当节理面与TBM掘进方向之间的夹角为60°～75°时,最有利于TBM的运行。基于数值仿真的TBM掘进性能预测模型提供了一种经济、灵活的可用于评估复杂环境中TBM施工性能的方法。     

南大巴山褶断带西段中新生代构造应力场的节理研究

利用X节理及节理擦痕反演了南大巴山前陆断褶带西段构造应力场(状态).早期平面X型节理发生于J3-K1,σ1方向NE-SW,σ2直立.稍晚的"断坪-断坡"型节理及剖面X节理,σ1同样NE-SW向,但σ2为NW-SE向.K2-E的与褶皱主期同期的逆冲型纵节理σ1方向NE-SW,σ2为NW-SE向.稍后的走滑型斜节理及横节理σ1也是NE-SW向,σ2为铅直方向.右旋走滑型纵节理是由前期逆冲型纵节理在褶皱作用的后期(E)由于褶皱轴的顺时针旋转而转化来的,σ1方向近SN向.逆冲型横节理及斜节理由前期走滑型横节理及斜节理在NW-SE向压应力作用下转化而来,时间约为E末.左旋趋势的纵节理和正断趋势的纵节理形成于第四纪,是NE-SW向拉张应力场以及EW方向的挤压应力场作用下形成的.形成本区多期应力场力源分别来自于北大巴山的向南西推覆作用(J3-E),江南古陆区的向NW方向的挤压(古近纪末)以及上扬子克拉通的向南东运动(新近纪至第四纪).