节理岩体强度参数的数值模拟及工程应用

采用数值模拟方法模拟含不同倾角层理面的岩体在抗拉、抗压试验下的破坏过程,从受力、变形和破坏的角度出发,解释节理岩体的破坏机理。在此基础上选取一种层理结构分布明显的岩样,完成常规力学参数下的实验测试与分析,并对数值模拟结果和实验结果进行比较和相关分析。研究结果表明:随层理面倾角的增大,单轴抗压强度先减小后增大,呈U型变化趋势;随层理面倾角的增大,单轴抗拉强度呈递减趋势;数值模拟结果得出单轴抗压强度和抗拉强度的各向异性系数分别为0.72和0.24;数值模拟结果与试验测试数据较吻合,为实际工程中复杂节理岩体强度参数的合理确定提供了一条新的途径。     

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.     

基于PFC 2D的含节理岩体单轴压缩数值模拟

基于颗粒流方法模拟含节理岩体的单轴压缩破坏过程,并对不同节理倾角的岩体进行单轴压缩数值模拟,研究不同节理倾角岩体的裂纹扩展路径、破坏形式以及强度变化规律。结果表明:(1)在单轴压缩破坏过程中,岩体节理倾角不同,裂纹扩展与最终破坏形态不同,但破坏过程基本一致;(2)当节理倾角从0°到90°的变化过程中,抗压强度随节理倾角的增大先减小后增加,总体呈"U"型分布规律,并在倾角为60°时达最小值。     

罗山金矿节理岩体强度的PFC3D模拟及其应用

采用PFC3D数值模拟方法模拟在抗拉、抗压试验下不同倾角层理面的岩体的破坏过程,从颗粒的位移和速度分布等方面出发,阐述了节理岩体的破坏机理,并与实验室条件下获得的节理岩体强度和变形特性进行比较和分析.结果表明,单轴抗压强度在0-60°范围内随倾角α的增加而减小,在60°-90°范围内随倾角的增大而增大;单轴抗拉强度在0...     

单节理岩体抗压强度的数值模拟

为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明:围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°~60°时抗压强度达到最低值,呈典型的"U"形趋势;节理面倾角一定,随着围压的增大岩体抗压强度也随之增大,整体呈线性变化趋势,可拟合为一次函数,与理论导出式一致;随节理面倾角增大岩体抗压强度增大幅度呈先减小后增大趋势,近似于围压一定时岩体抗压强度随节理面倾角变化规律.     

基于RFPA2D的岩石尺寸效应试验

研究高径比不同变化趋势对岩石尺寸效应的影响,考虑到岩石材料的非均质性,应用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对不同变化趋势下的岩石样本,进行了单轴压缩下的数值模拟研究,并对数值模拟结果进行试验验证.结果表明:岩石的变形模量和弹性模量随高径比的增大而呈现非线性减小;在小高径比时岩石的破裂形式较复杂,在大高径比时,呈劈裂破坏和剪切破坏;岩石抗压强度随高径比的增大呈增大趋势.该成果对岩石尺寸效应有一定指导意义,便于为工程提供可靠岩石信息.     

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.     

节理厚度对应力波传播和动力特性影响的SHPB试验

为了研究含平行节理岩体对地下工程活动的影响,采用不同节理厚度的红砂岩试样,借助分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置,对节理红砂岩试样的应力波传播和破坏模式进行研究,结合有限元软件ANSYS/LS-DYNA对试验过程进行了数值模拟,并且增加了节理厚度为2 mm和6 mm的模拟内容.研究结果表明:红砂岩中平行节理的...     

含层理构造黑云变粒岩单轴压缩试验及数值模拟

应用离散元的接触粘结模型,系统分析了节理单元的强度特性,研究了不同加载方向下节理岩体的强度、破坏模式,并与室内试验结果进行了对比验证.研究发现:对于倾角45°分布层状节理岩体,节理单元强度低于岩石基质强度的15%时,节理对整体力学性质产生显著影响,对比室内试验,节理强度为基质强度约2%~4%时可以有效地模拟节理岩体的力学行为;随着岩层倾角的增加,层状岩体单轴抗压强度逐渐减小到逐渐增大的变化过程,呈"U形"分布.研究结果可为颗粒流离散元方法研究节理岩体力学特性提供参考.     

节理倾角对类岩石试样力学特性影响试验研究

白鹤滩水电站坝基岩体柱状节理十分发育,岩体中存在许多复杂节理面,各向异性特性十分显著.为了研究柱状节理岩体的各向异性特性,采用模型试验方法,考虑横向贯通节理,制作具有不同柱体倾角(β=0~90°)的正四棱柱形试样,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同节理倾角β下的单轴抗压强度、变形模量和峰值应变,分别分析了不同倾角下应力-应变曲线、峰值强度、变形模量、峰值应变及破坏类型的特性,得到以下结论:倾角β=0~15°以及75~90°范围时,应力-应变曲线存在多峰现象,β=30~60°范围时,应力-应变曲线以单峰为主;单轴抗压强度在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值,试件强度各向异性比K_c为11.12,属于极高各向异性;变形模量在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值;峰值应变在β=60°时取得最小值,β=30°时取得最大值;试样主要有沿材料的劈裂破坏和沿贯通节理面的滑移破坏两种破坏模式.     

火山岩力学特性试验研究

对取自松南气田营城组的流纹岩和凝灰岩开展室内岩石力学试验研究,得到了流纹岩不同亚相和凝灰岩在不同围压下的应力-应变曲线;在此基础上分析火山岩变形破坏的特征。火山岩的CT图像显示,随着流纹岩亚相的变化,岩石内的孔隙和微裂纹发育程度发生变化,上部亚相气孔较发育、中部亚相次之、下部亚相气孔发育较少。试验结果表明上部亚相、中部亚相和下部亚相的单轴抗压强度、弹性模量依次增大。凝灰岩在围压下的岩石力学特性遵循脆性岩石的普遍规律;但是由于非均质性、各向异性的影响,凝灰岩的抗压强度和弹性模量随着围压的增大出现波动。流纹岩在单轴条件下表现为沿轴向的劈裂破坏;凝灰岩在围压下的微裂纹起裂方向与轴向存在夹角,最终形成与轴向存在一定夹角的宏观破坏面。火山岩在压缩破坏过程中所产生的应变很小;而且岩石强度和弹性模量较高,这会造成水力压裂过程中的破裂压力梯度高,难以形成裂缝。     

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。     

尺寸效应对生土立方体试件抗压强度的影响

试件的抗压强度是生土基建筑材料的重要力学指标.本次研究以生土材料立方体试件尺寸效应为研究目的,探寻不同尺寸试件对材料抗压强度的影响.对采用同样制样方法、养护方式和加载方法的三种尺寸立方体生土试件进行抗压强度试验,研究试件的破坏形态、抗压强度以及试件的不同尺寸对强度的影响规律与作用机理,并采用统计筛选法推算三种尺寸试件的...     

藏式毛石砌体抗压强度对其弹性模量和峰值应变预测

抗压强度、弹模和峰值应变是藏式毛石砌体力学性能的3个重要参数,由于砌块不规则性和砌筑工艺随机性的影响导致该类砌体抗压强度、弹模、峰值应变都较难直接获得。通过毛石砌块和泥浆黏材强度获得毛石砌体抗压强度,以抗压强度预测弹性模量和峰值应变是为了研究此类砌体变形特征和力学特性。采用西藏传统砌筑工艺砌筑8个毛石棱柱体试件,对棱柱体试件进行单轴压缩力学测试,获得毛石砌体抗压强度、弹模、峰值应变、位移-荷载曲线、破坏形态等。结合已有研究成果对该类砌体抗压强度表达式中砌块与泥浆相关影响系数进一步优化,以抗压强度预测其弹性模量、峰值应变。试验结果表明,该类砌体抗压强度、弹模、峰值应变较低且变形呈阶段性变形特征,位移-荷载曲线与其他类型砌体对比存在差异。以区间估计法和线性回归进行弹性模量和峰值应变预测并与其他类别毛石砌体对比发现吻合度较好。该结论可供该类砌体结构修复、加固和毛石砌体单轴压缩性能研究参考。     

黄土掺入聚丙烯纤维后的无侧限抗压强度和变形试验研究

为提高西咸新区空港新城地区黄土强度指标,设计正交试验方案L_9(3~4),研究含水率、聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维掺量3种因素对黄土的抗压强度和变形的影响,通过对加筋黄土的无侧限抗压强度、变形模量进行极差和方差分析,获得3种因素的影响程度和显著水平。同时设置各含水率水平下不掺加纤维的空白对照。结果表明:在设置的不同含水率水平中,聚丙烯纤维加筋黄土无侧限抗压强度改良效果不同,其中在19.5%含水率即最优含水率时改良效果最优,强度提升了2.1倍;聚丙烯纤维加筋黄土无侧限抗压强度的最优掺和长度为12 mm,最优掺量为0.5%;聚丙烯纤维的加入对变形模量的影响并不显著,变形模量变化受含水率影响较大;聚丙烯纤维长度取12 mm、掺量取0.3%时变形模量相对最优。     

含水率和加筋条件对棕榈加筋土的影响

通过击实试验、无侧限抗压试验,将加筋土与未加筋土的无侧限抗压强度、破坏时的轴向应变和正割模量相比较,研究了含水率对不同加筋条件下棕榈加筋土抗压强度和变形的影响,并从能量吸收能力角度说明含水率和加筋条件对加筋土强度和变形的影响。结果表明:增强土样抗压强度的适宜加筋率和筋材长度分别为0.5%和20 mm;且土样在具有最优含水率的条件下,纤维增强效果最佳,在最优含水率附近纤维增强效果都成降低趋势;加筋土的能量吸收能力随加筋率、纤维长度、含水率的增加而增加;纤维的加入降低了土体的刚度。另外,土样的破坏形态由未加筋土单一剪切面的脆性破坏逐渐转变为加筋土多剪切面的塑性破坏。     

骨料粒径对混凝土力学性能影响研究

为研究粗骨料平均粒径对混凝土力学性能的影响,利用MTS试验机进行了M40、M80和M110砂浆及对应不同粗骨料粒径混凝土的准静态压缩与劈裂试验,获得了各试件的准静态压缩应力-应变曲线和劈裂应力-时间曲线,分析了粗骨料粒径对不同等级混凝土的影响程度,并借助双因素方差分析方法研究了砂浆抗压强度和骨料粒径对混凝土抗压强度的影响程度.结果表明:随着粗骨料粒径的增加,混凝土的抗压强度、杨氏模量和抗拉强度具有相似的变化趋势,即呈现出先增大后减小的趋势,粗骨料粒径对混凝土抗压强度的影响随着砂浆强度的增加而变大,对杨氏模量的影响却随着砂浆强度增大而减小;砂浆抗压强度对混凝土压缩强度的影响程度要大于骨料粒径.      

单轴应力条件下水泥石强度与弹性模量的关系

利用高温高压养护釜、压力试验机等设备对油井水泥石的应力-应变曲线进行了检测.分析了温度、外加剂对水泥石强度和弹性模量的影响规律,研究了强度与弹性模量关系模型的建立问题.结果表明,单轴应力条件下水泥石具有明显的弹性变形及脆性破坏特征;强度与弹性模最初随养护温度提升而增大,达到一定温度后,随温度继续升高而减小;各体系的强度及弹性模量均随养护时间的增长而增加,分散剂、降失水剂、胶乳能降低强度和弹性模量,早强剂、膨胀剂能增加强度和弹性模量,硅砂能增加高温条件下水泥石的强度及弹性模量;采用数据回归分析方法建立水泥石强度与弹性模量之间的关系模型,可以依据所建立的模型利用水泥石强度测试数据估算弹性模量.     

掺污泥改性高水材料典型加载方式下的变形特征和力学响应

高水材料的掺杂改性有利于改善其物理力学性能、消纳废弃资源及降低经济成本,近年来成为采空区充填等领域的研究热点。针对典型加载方式下掺杂改性高水材料的变形特征及力学响应进行分析,结果表明:掺污泥改性高水材料在常规单轴加载试验和分级循环加卸载试验中受剪切破坏与劈裂破坏共同作用,慢速单轴加载试验中试样主要受剪切破坏作用;不同加载方式下,试样的压缩过程与普通岩石压缩过程相似,均可分解为五个阶段的组合:压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段以及稳定阶段;与常规单轴压缩方式相比,慢速单轴加载方式与分级循环加卸载方式均会使得掺污泥改性高水材料抗压强度降低;增大加载速度会使掺污泥改性高水材料产生更高的弹性模量值,同时循环加卸载方式也具有提高掺污泥改性高水材料弹性模量的作用。