基于离散裂隙网络与离散元耦合方法的礼让隧道岩体力学参数确定

为了准确地确定礼让隧道节理岩体力学参数,采用3DEC程序中离散裂隙网络(discrete fracture network, DFN)技术,建立了能反映节理裂隙分布特征的离散裂隙网络模型。在此基础上,结合室内岩石、节理力学试验,运用等效岩体技术及3DEC程序,建立基于离散裂隙网络-离散元(discrete fracture network-discrete element method,DFN-DEM)耦合方法的等效岩体模型,并构建反映工程岩体节理分布特征的多尺度等效节理岩体计算模型;通过对多尺度等效节理岩体计算模型进行单轴压缩试验,获取岩体峰前及峰后的力学性质,分析节理岩体的尺寸效应、各向异性、表征单元体及等效岩体力学参数。结果表明:DFN-DEM耦合技术解决了非贯通节理的建模问题;随着等效岩体尺度增大,节理岩体峰值强度、弹性模量逐渐减小,各向异性特性逐渐减弱,且尺度达到5 m×5 m×10 m趋于稳定得到表征单元体;表征单元体尺度下等效岩体力学参数为弹性模量9 GPa、单轴抗压强度0.7 MPa、内摩擦角25°、黏聚力0.3 MPa、抗拉强度0.12 MPa,与Hoek-Brown强度准则所得力学参数对比,两者较为接近。该法为研究工程岩体的稳定性提供了数据基础。     

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。     

岩体离散裂隙网络渗流应力耦合分析

裂隙渗流具有沿裂隙网络做定向移动的特点,用非连续介质方法分析裂隙岩体渗流应力耦合更符合工程实际.本文以人工模拟的随机裂隙网络为对象,应用离散裂隙网络模型和节理单元模型,以裂隙开度变化为纽带,同时考虑渗透静水压力和动水压力的影响,研究水位变化条件下裂隙岩体渗流应力耦合特性.算例表明,考虑耦合作用时,岩体内部结点水头、结点应力和岩体渗流量会发生相应改变.岩体中水头大的裂隙段,耦合作用更加明显.在高坝工程岩体渗流分析和岩体稳定评价计算中,应当考虑渗流应力的耦合作用.     

层状节理岩体变形特性数值模拟研究

层状节理岩体变形特性的研究,对于实际工程确定其力学参数具有重要参考作用.本文选取层状节理岩体为研究对象,分别建立不同倾角、不同尺寸层状节理岩体三维数值计算模型,采用FLAC3D软件模拟单轴压缩试验,研究了层状节理岩体不同方向弹性模量的各向异性特性和尺寸效应.研究表明:沿节理走向的弹性模量受节理倾角和模型尺寸影响极小;沿倾向和高程方向的弹性模量随节理倾角增大呈U型分布,且具对称性,其各向异性特性显著;随着模型尺寸增大,不同倾角层状节理岩体的弹性模量变化规律不一致,但总体减小且趋于稳定;采用多项式拟合层状节理岩体主要变形方向的变形参数函数并求导,可确定其典型单元体尺寸和等效变形参数.     

节理岩体力学参数确定的数值试验方法

为解决现场或室内试验条件下难以测试大尺度岩体并确定其参数的问题,总结提出了应用数值试验方法确定节理岩体宏观力学参数的方法流程.即将节理岩体单元离散为岩块和节理两种类型,通过室内试验分别研究其力学特性,再把岩块和节理进行组合形成岩体,通过数值计算得出节理岩体的力学特性.将这套方法应用到贵州省某高速公路岩质边坡的岩体参数优化分析中,研究了试件尺寸、各向异性、岩块及节理力学参数等对岩体宏观力学参数的影响.数值试验方法为工程节理岩体参数的确定和优化提供了一种新的思路.     

基于Barton-Bandis非线性破坏准则的岩体强度预测

为了采用Barton-Bandis模型描述岩体特征,并将其参数应用于数值计算中,探讨Barton-Bandis参数到Mohr-Coulomb准则参数的转换,研究Barton-Bandis参数对Mohr-Coulomb参数的影响.研究结果表明:Barton-Bandis参数到Mohr-Coulomb准则参数的转换方法方便有效;随着节理粗糙系数JRC和节理压缩强度JCS的增大,Mohr-Coulomb参数粘结力c和内摩擦角φ均呈现非线性增大,可通过指数方程对其关系进行拟合;JRC的变化对粘结力的影响大于其对内摩擦角的影响;JRC对岩体剪切强度的影响大于JCS对岩体剪切强度的影响.     

节理玄武岩强度特性三维离散元压缩模拟试验

基于节理玄武岩几何结构特征和岩体强度REV尺度,利用三维离散元建立不同节理倾角下的数值模型试件,进行三轴压缩模拟试验分析.对柱状节理岩体在不同围压、不同节理倾角、不同参数比值下的强度变化规律性进行探讨,研究其各向异性比,获取并分析了柱状节理岩体在不同倾角下的等效力学参数.研究结果表明:节理玄武岩强度曲线在不同节理倾角和围压下近似呈U型分布;各向异性程度随围压升高以指数函数形式降低,以坝基原位岩体水平应力15 MPa估算,坝基处玄武岩体属于中等各向异性水平;在节理倾角75°时,对应的等效摩擦角为44.4°,等效黏聚力为1.15 MPa,参数计算值在原位测试值范围内.     

裂隙岩体几何和力学表征单元体尺寸的颗粒流分析

确定裂隙岩体的表征单元体尺寸对于准确分析工程尺度裂隙岩体的结构特性和力学特性非常重要.根据加拿大Brockville铁路隧道内裂隙分布的地质参数,采用Monte-Carlo法构建大尺寸的裂隙网络模型,计算不同尺寸裂隙网络模型的单位体积内的裂隙面积(P32)和单位体积内的裂隙数量(P31),确定裂隙岩体的几何表征单元体尺...     

基于压力拱理论的深埋节理岩体隧道围岩压力研究

为研究节理岩体隧道围岩压力计算方法,以隧道压力拱理论为基础,通过离散元数值模拟分析了岩体的坚硬程度、完整程度和结构面的抗剪强度对隧道压力拱的影响,应用多元线性回归拟合了多因素围岩压力公式,并结合依托工程对拟合公式进行了适用性分析。结果表明：节理岩体隧道压力拱范围为拱顶到最大主应力方向的偏转点,隧道压力拱高度随着节理间距和结构面的抗剪强度的增大而减小,岩体力学参数对压力拱高度的影响较小;与现场实测的围岩压力相比,计算误差在15％以内。所提围岩压力公式适用性良好,为节理岩体的围岩压力计算提供了新的思路。     

单裂隙岩体水-力耦合数值分析

随着地下工程的不断发展,诸多地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏,裂隙岩体水-力耦合一直是国内外学者研究的热点问题。基于单裂隙岩体水-力耦合概念模型,应用离散元程序计算分析裂隙水压强、岩体应力对裂隙渗流场和岩体位移场的影响。计算发现：模型约10 s后达到稳态,节理流体形成从左向右的渗流场,节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关;节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场,节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相关;节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场,岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。研究结果对解决地下工程水-力耦合问题具有一定的科学意义和工程价值。     

刀具侵入作用下节理岩体位移及应变场演化特征试验研究

为了研究在全断面岩石隧道掘进机(TBM)作用下节理岩体的变形破坏特征,采用DSCM方法,通过对加载过程中试件表面数字散斑图像进行计算分析,获得刀具侵入作用下临界状态不同节理参数(倾角和间距)试件表面的位移场以及应变场分布特征。研究结果表明:节理参数的不同对试件表面位移场和应变场分布有着明显的影响,节理的空间位置控制着试件表面变形局部化特征,进而影响裂纹的扩展模式。试件达到临界破坏状态时,其应变场的分布特征能够很好地反映损伤局部化的特点。     

节理岩体的随机剪切破环

提出的节理岩体剪切强度准则,考虑了节理面、岩桥提供的强度分量和相邻节理面形成的起伏角提供的强度分量。讨论了节理面和节理岩体发生剪切破坏时某些关键应力状态必须满足的物理约束条件。此外,强度准则中的参数可以是随机变量,所以可以用于随机模型中的破坏概率分析和工程的风险分析。     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

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.     

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。     

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.     

改进的节理岩体强度参数经验确定方法及工程应用

在节理岩体工程的数值计算及稳定性评价中,强度参数的确定至关重要.在原位试验受到各种限制无法进行时,经验确定方法不失为一种好的选择.在大量收集国内外节理岩体强度参数经验确定方法的基础之上,提出了改进的节理岩体强度参数经验的确定方法,即对完整岩石进行"尺寸效应折减"与"节理化折减"的二次折减法,并应用于某坝址区工程实例中,所得的计算值与现场实测抗压强度值接近,较以往的经验确定方法更加准确,证明了节理岩体强度的降低是尺寸效应与节理化综合作用的结果,为节理岩体强度参数的研究提供了一条新的思路.