非线性准则下节理岩体稳定性的屈服接近度分析

为了将Barton-Bandis非线性破坏准则与岩体稳定性判断标准的屈服接近度相结合,推导Barton-Bandis准则强度参数和Mohr-Coulomb线性破坏准则强度参数之间的关系,然后,通过算例分析,讨论Barton-Bandis准则参数对于节理岩体屈服接近度的影响,得到Barton-Bandis参数表征的屈服接近度YAIbb。研究结果表明:YAIbb随节理粗糙系数JRC的增大而减小,JRC越大,岩体节理面越粗糙,岩体的稳定性越高,二者的关系符合线性特征;YAIbb随节理岩体压缩强度JCS的增大而减小,JCS越大,岩体的单轴压缩强度越大,则岩体越致密,强度越高,稳定性越大,破坏的概率越小,二者的关系可用指数方程进行描述。     

边坡JRC-JCS极限平衡安全系数的计算

为了采用极限平衡法计算节理粗糙度系数JRC与节理压缩强度为JCS的岩质边坡安全系数,建立JRC-JCS准则下简化Bishop极限平衡计算公式,并分析JRC-JCS参数对于边坡安全系数的影响.研究结果表明:随着JRC的增大,黏结力c和内摩擦角φ呈非线性增大,并且黏结力受影响的敏感度增大,而内摩擦角受影响的敏感度降低;黏结力c和内摩擦角φ均随JCS的增大呈非线性增大;随着JRC和JCS的增大,边坡的安全系数F逐渐增大,JRC 越大,节理面越粗糙,岩体的稳定性越高;JCS越大,岩石颗粒排列得越紧密,岩体的压缩强度越大,岩体的稳定性越高,边坡整体安全系数也越大;F与JRC和JCS的关系呈现非线性特征,可通过指数方程进行拟合.     

边坡整体稳定性JRC-JCS安全系数等效数值解法

为了将边坡安全系数强度折减计算方法与JRC-JCS非线性模型相结合,首先,建立节理粗糙度系数JRC-节理压缩强度JCS与等效黏结力c和内摩擦角φ的关系;然后,由Mohr-Coulomb强度折减法间接得到JRC-JCS模型下边坡的安全系数,并进行参数影响分析.研究结果表明:JRC-JCS模型边坡安全系数间接计算方法方便可行,具有实用价值;随着JRC和JCS的增大,边坡的安全系数F逐渐增大;F与JRC和JCS的关系均呈非线性特征,可通过指数方程进行拟合,并呈高度相关:JCs越大,F和JRC关系的非线性特征越明显;JRC越大,F受JCS的影响也越大;当JCS较小时,F受JCS影响的灵敏度较高.     

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。     

基于非线性破坏准则的岩体剪切强度参数确定方法

剪切强度预测是岩体稳定性分析的重要内容,为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体的剪切强度参数,利用理论推导和数值拟合的方法,探讨了Hoek-Brown参数到Mohr-Coulomb参数的转换过程,并分析了非线性准则中各个参数对于剪切强度参数的影响.结果表明.通过大量数据拟合回归的方法可确定剪切强度参数与Hoek-Brown准则参数之间的关系;随着地质强度指标GSI的增大,岩体的剪切强度参数c和φ均不断增大,黏结力较内摩擦角对于岩体地质强度指标的变化更为敏感;二者随mi的变化幅度均不大,GSI对于岩体强度的影响大于mi.     

隧道岩体稳定性的非线性单元安全系数分析

为了采用非线性准则(巴顿准则)定量描述隧道岩体的稳定性,首先通过理论分析,推导巴顿非线性准则和摩尔库仑线性准则之间的关系,得到采用巴顿准则参数节理粗糙系数JRC和岩体压缩强度JCS表征的岩体剪切强度参数黏结力c、内摩擦角φ和巴顿准则参数表征的单元安全系数Ke;然后,利用有限差分软件FLAC3D建立隧道开挖计算模型,基于其内置的FISH语言,编制巴顿准则下非线性单元安全系数Ke计算程序,并对比Ke≤1的区域和FLAC3D塑性区分布。研究结果表明:Ke≤1对应的区域和由FLAC3D计算得到的塑性区域大致相同,从而验证了所推导的基于巴顿准则参数的单元安全系数公式的正确性以及所编制程序的可行性;单元安全系数Ke能够表征各个单元的破坏程度,优于塑性区判定标准。     

复杂节理面剪切强度和变形特征的数值分析

采用FLAC~(3D)软件建立三维节理试样模型,分析不同表面形态和边界条件对节理强度和变形特征的影响.研究结果表明:当节理而起伏角较小时,试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系,起伏角对内摩擦角的影响大于对黏结力的影响;随着起伏角的增大,剪切强度与正应力之间逐渐呈非线性关系特征;通过抛物线方程对其进行拟合,可得到较高的相关性,并且节理的破坏模式从滑移破坏转变为沿节理面滑移和锯齿压剪碎裂的复合破坏;峰值强度与残余强度之比随正应力的增大而逐渐减小,减小趋势符合指数规律,同时,试样的各向异性逐渐减弱,剪切刚度不断增大.     

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.     

考虑剪切方向的改进Barton模型

为研究节理在剪切过程中的方向性和剪切强度规律，利用直剪仪对复制岩石节理试样进行了爬坡和顺坡两个方向的直剪试验。试验结果表明：剪切方向对岩石节理的剪切强度有明显影响，沿爬坡方向的剪切强度大于沿顺坡方向，但粗糙度系数（joint roughness coefficient，JRC)的减小和法向应力的增大可在一定程度上削弱剪切方向的影响。节理剪切破坏过程具有显著的阶段性特征，中低法向应力条件下以爬坡滑移为主要机制，而高法向应力下以相互啃食和凸起啃断为主要机制。采用平均有效倾角差指标参数描述剪切强度的各向异性，并在此基础上提出了考虑剪切方向的改进剪切强度模型，更好地预测节理正、反方向的剪切强度。通过百分位数参数建立了三维形貌指标与端部轮廓线二维高差指标的联系，大大简化了节理形貌指标的获取难度。该模型参数较少容易获取，物理意义明确，且把岩石节理剪切强度的各向异性考虑在内，具有广阔的潜在工程应用前景。     

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.     

基于M-C等面积圆屈服准则的岩土混合边坡稳定分析

针对有限元软件基于外角外接圆D-P准则计算边坡稳定安全系数偏大的问题,采用M-C等面积圆屈服准则进行改进,推导了二者计算安全系数的关系.基于M-C等面积圆屈服准则计算岩土混合边坡,计算前对输入的土质和岩质的黏聚力及内摩擦角进行转换,结果表明,计算安全系数与Morgenstern-Price法得到的结果较为接近,并且塑性区与滑动面形状近似,表明了M-C等面积圆屈服准则在分析岩土混合边坡稳定问题是可行的.分析发现,岩土混合边坡安全系数随土质黏聚力和内摩擦角正切值的减少而减少,并且塑性区形状保持不变.     

不同强度岩石的破坏过程及声发射数值模拟

采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷单轴平面应变压缩岩样破坏过程及声发射的影响;采用编写的若干FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数目.密实的岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为;缺陷在破坏之后经历理想塑性行为.随着密实岩石强度参数的提高,从应力峰值到残余应力的应力降、轴向应变增量提高,贯通试样的剪切带出现滞后,试样内部最终发生破坏的单元数降低.对于密实岩石强度参数高的试样,缺陷全部发生破坏之后,密实岩石没有立即发生破坏;应力峰值被达到之后,破坏的单元数增长不大.在加载过程中,声发射数有显著增加的三个区段.区段1、2及区段3的绝大部分位于峰前.在区段3的峰前阶段,声发射数的增加源于缺陷的长大、聚结、传播和竞争.强度参数越高,区段3越长,区段3的峰值越低.这表明当密实岩石的强度参数较高时,密实岩石单元破坏相继发生,破坏过程持续得较长.     

基于RMR与H-B准则估算大型洞室岩体力学参数敏感度分析

利用RMR(岩体质量分级)与Hoek-Brown(H-B)准则估计岩体力学参数可作为大型地下洞室围岩参数确定的有效途径.考虑到输入参数不确定性引起岩体力学参数估计精度受影响的问题,依托白鹤滩水电站地下厂房工程,基于原位测试、室内试验与数值模拟等,研究H-B准则输入参数与估计岩体力学参数间的敏感性关系,并采用敏感度因子定量描述.结果表明,岩体力学参数对输入参数的敏感性排序为RMR>σ_○ci(岩石单轴抗压强度)>m_i(岩石材料常数),当RMR取值误差为±5%时,弹性模量、内摩擦角及黏聚力估计结果分别产生约20%,22%与13%的偏差;当σ_○ci与m_i的测定误差小于±20%时,其对于内摩擦角与黏聚力估算结果的影响分别小于4%与10%.该研究可为类似大型地下洞室工程岩体力学参数估计精度评价提供借鉴.     

基于Hoek-Brown准则的边坡开挖岩体力学参数研究

将边坡开挖弱化因子引入广义Hoek-Brown强度准则,并对其进行定量表述,以研究爆破开挖对边坡岩体力学参数的影响程度．工程实例表明：开挖对不同边坡岩体的力学参数的影响程度不同,对坚硬岩体的影响比对软弱岩体的影响大;开挖弱化因子与变形模量、黏结力和内摩擦角呈线性相关,与抗拉强度呈指数相关．     

变角度空间的岩块滑落试验及结构面参数反演分析

本试验以东北大学自行研制的变角度空间块体滑落试验平台为基础,模拟不同性质岩块的滑落过程.通过采集岩块滑落的二次角度数据,应用极限平衡法和向量法对单面滑动、双面滑动及空间的滑落角度作了理论分析.根据已破裂的结构面,运用摩尔库伦理论对其力学参数进行了反分析.试验结果表明单面滑动与双面滑动的分界角度在40°至50°之间,单面滑动角度增幅较小;块体与结构面间的黏聚力随砂浆等级的提高而增大;力学参数的反分析可为块体稳定性提供一定的理论基础.     

Hoek-Brown准则中参数不同选取值对Mohr-Coulomb参数值的影响

利用Hoek-Brown经验强度准则与Mohr-Coulomb准则关联函数,分析研究了Hoek-Brown准则中所采用参数不同选取值对于岩体黏聚力c及内摩擦角φ的影响。结果表明:c及φ值随着GSI的增加而增加,黏聚力与GSI呈指数函数关系,内摩擦角与GSI成线性函数关系;c及φ值随着mi的增加而增加,且均成对数函数关系;c及φ值随着σci的增加而增加,黏聚力与σci成线性函数关系,摩擦角成指数函数关系;c及φ值随着D的增加而减小,并均成多项式函数关系。     

重度增加法与强度折减法的应用对比分析

基于ANSYS有限元软件,通过实例将重度增加法应用到边坡稳定分析中,发现得出的边坡安全系数比运用有限元强度折减法计算所得的结果偏大.然后对影响计算精度的因素包括粘聚力、内摩擦角和坡角进行了敏感性分析,结果表明粘聚力、内摩擦角和坡角对重度增加法计算精度的影响均高于强度折减法,说明强度折减法计算结果较为可靠,而重度增加法的应用具有一定的局限性.     

基于GSI的裂隙化岩体力学参数的确定

裂隙化矿岩体的力学强度特征和参数,主要受到岩块力学参数和岩体的节理裂隙参数的影响。为确定井下开采裂隙化矿岩体的力学强度参数,引入节理间距和节理面粗糙度系数(JRC)对地质强度指标(GSI)系统进行定量化的分级和参数取值,建立了定量化的GSI评价体系,综合采矿活动的影响因子,实现了裂隙化岩体力学强度参数的计算。以锌铜矿体的裂隙化矿岩体结构为研究对象,在进行的岩体工程地质调查基础上,取得了上下盘围岩的节理裂隙间距和节理结构面粗糙度系数,定量确定了上下盘围岩的裂隙化岩体强度力学参数。研究结果表明,运用定量化的GSI方法,可以实现裂隙矿岩体结构强度参数的确定,得到了锌铜矿体的上盘和下盘围岩的强度特征参数,其弹性模量分别为5.749 GPa和4.483 GPa,内聚力分别为3.126 MPa和2.772 MPa,内摩擦角分别为24.56°和23.08°。这些力学强度参数指标为裂隙矿岩体的采矿工程设计提供了基础参数。