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.     

基于改进遍布节理模型的岩石基坑开挖稳定性数值分析

为解决现有研究针对开挖于层状岩体中且边坡含高倾角外倾结构面的岩石深基坑开挖稳定性的研究相对欠缺的问题,本文依托徐州市地铁3号线南三环站基坑工程,通过对FLAC3D中既有遍布节理模型的改进,得到了可同时考虑层状岩体变形和强度各向异性的横观各向同性弹塑性遍布节理模型,基于该本构模型采用数值模拟分析的方法对不同岩层倾角条件下基坑及围护结构的变形情况进行了模拟分析。结果表明：地面沉降最大值和围护桩的最大水平位移均受岩层倾角影响,当岩层倾角为50°时上述量值最大。为定量分析岩层倾角影响下围护桩的变形规律,对模拟结果进行了数据拟合,获得了围护桩最大变形与岩层倾角的理论关系。强度折减计算结果表明,岩层倾角为50°时基坑开挖完成后的安全系数最低,并获得了不同岩层倾角下基坑开挖完成后边坡的安全系数分布及基坑边坡的潜在破坏面形式,给出了依托工程围护桩的桩间距优化建议。     

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。     

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.     

共面断续节理岩体模型抗剪强度及破坏特征分析

为探究共面断续节理的几何特征对岩体力学性质的影响,对制作的含节理类岩石材料进行了直剪试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究节理连通率和岩桥长度对岩体抗剪强度及裂纹发育的影响.结果 表明:各级法向应力下,节理连通率的增加限制翼型应变集中区的形成,进而阻断翼裂纹的发育,使岩桥倾向于拉剪破坏,并会造成岩体模型抗剪强度降低;而节理连通率相同时,岩桥长度的改变则不会对岩体抗剪强度造成明显影响;岩桥长度是改变裂纹发展趋势的主要因素,这是因为岩桥长度的变化会增加或降低相邻节理端部应变集中区的交互影响;最后从能量的角度出发揭示了节理连通率和试样破坏失稳的关系.     

节理岩体宏观力学参数尺寸效应的数值试验

基于Mont-Carlo法,建立了节理岩体的结构面网络,采用RFPA2D-DIP数值模拟软件把生成的网络图转化为有限元网格,从而建立能反映材料细观结构的数值模型.对其中6个不同尺寸的节理岩体试件进行单轴受压数值模拟试验,分析了不同尺寸节理岩体应力与应变之间的关系,以及抗压强度和变形模量的尺寸效应,并对岩体的破坏过程进行了研究,描述了1500mm×1500mm岩体的破坏过程.结果表明,随着岩体尺寸的增大其抗压强度和变形模量均减小,但变化幅度却越来越小,抗压强度随尺寸增大趋于稳定的速度更快,并得出了指数衰减的拟合关系式,不同尺寸岩体的破坏过程大致相同.该研究方法为节理岩体宏观力学参数的研究提供了一种新方法.     

高强螺栓抗剪连接滑移数值模型

为了减少计算代价并提高计算结果的收敛性,提出了一种新的高强度螺栓滑移数值模型和确定非线性摩擦单元实常数的计算公式。将所提出的数值模型计算结果与已有通用有限元软件的结果进行了对比以验证所提出的数值模型的可靠性。对比结果表明所提出的高强度螺栓滑移数值模型可以精确捕捉高强度螺栓的滑移现象,用于计算摩擦单元实常数的计算公式可以精确得到高强度螺栓的滑移临界摩擦力。通过滑移模型所得滞回曲线与既有模型计算结果高度吻合且计算时间减少约90%。在此基础上,通过参数化分析对简化滑移数值模型的计算误差进行了系统研究。分析了螺栓预紧力、钢板厚度、螺栓直径以及屈服强度对计算精度的影响。结果表明所提出的简化滑移数值模型收敛性好,计算精度高,大大减小了计算代价。     

基于三剪屈服准则的材料弹塑性统一本构方程

为了改进双剪统一强度理论公式的分段表达,克服双剪统一弹塑性本构模型在θ=θb点上的双重滑移角现象,考虑十二面体单元上所有三个主剪应力共同作用的三剪屈服准则建立了材料的弹塑性统一本构方程,该弹塑性统一本构方程适合于服从Tresca屈服准则到Von Mises屈服准则的全部材料.     

标准砂直剪试验的PFC数值模拟

直剪试验作为一种常用的室内土工试验,在实践中得到了广泛的应用,但是目前在细观尺度上对其剪切带的研究还不多,因为这涉及到试验手段和试验仪器方面的问题.PFC(particle flow code)是目前使用较多的模拟软件,其以颗粒为基本单元,可以较好地模拟材料的颗粒属性.因此利用PFC数值模拟的方法,探讨了颗粒形状、试样初始孔隙率对直剪宏观力学行为的影响.在成功建立砂土直剪试验数值模型的基础上,分析了试样内颗粒配位数、颗粒速度场以及局部孔隙率分布,发现砂土直剪中的剪切带并非是完全水平的直线,而是具有一定的斜率和曲率,其剪切带厚度大约为平均粒径的10.37倍.     

吻合度对节理力学特性影响的细观数值试验

岩石节理经过侵蚀、风化及工程扰动等影响后,节理面往往会呈现出不吻合特征,现有关于节理力学性质的研究均是基于Barton公式考虑节理粗糙度系数的完全吻合岩石节理,对不吻合节理还未系统深入研究,本文试图从细观力学角度研究吻合度对节理力学性质的影响规律。首先通过RIEGL LMS-Z420i三维激光扫描仪现场采集节理面起伏状态,以采集的起伏状态为骨架,采用分形插值函数构造节理面的细观几何形态,通过上、下节理面的水平错位移动来描述节理的吻合度;其次,从节理面凸凹点的细观变形出发,提出这些凸凹点集群化后表现出的宏观力学特征及其数值模拟方法,基于此方法,系统地研究吻合度对节理力学性质的影响规律,并通过试验验证该模拟方法的可靠性。研究表明节理的峰值剪切强度与节理粗糙度和吻合度系数的乘积值以及法向作用力成正比。     

基于剑桥模型的砂土剪胀模型

对于中密砂和密砂,剪胀现象是一个比较显著的特征,相变线是描述剪胀现象的一条特征线,相变线比较容易确定.本文在已有弹塑性模型基础上,对硬化参数进行修正,并引入与相变线相关的状态参量,建立了一个新的剪胀性砂土本构模型.该模型尤其适合于中密砂和密砂,对于松砂则退化为原弹塑性模型.模型包含9个材料参数,参数比较容易确定.数值模拟结果能较好的描述砂土的主要特性.     

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。     

基于三维Hill’48屈服准则的液压成形本构模型及数值验证

基于三维Hill’48屈服准则建立了内高压成形的力学模型,将半隐式向后Euler应力更新算法与显式有限元方法相结合,通过用户自定义子程序UMAT将本构模型嵌入有限元软件LS-DYNA中,通过单个单元的拉伸试验对其进行验证,并将本构模型应用于液压胀形过程的数值仿真模拟,与各向同性Mises屈服准则进行了对比分析.结果表明,二次开发的本构模型正确,能够较好地反映管材胀形的变形规律.     

基于离散元模型的高炉矿渣粉煤灰混合料直剪试验

为研究高炉矿渣粉煤灰混合料中不同粗粒含量对其力学性能的影响,根据已有的室内大型直剪试验数据,通过PFC3D建立了与其相应的大型直剪试验模型,并分别从力学响应、能量响应及接触力链场的角度进行数值模拟.结果表明:在粗粒含量为28%时,混合料的抗剪强度最大且应力软化程度弱,强度参数与各种能量值均较大;粗粒含量的增多导致颗粒骨架体系因无细小颗粒的填充而不能有效传递接触力,当含量为28%时的混合料力学性能最佳.研究结果可为高炉矿渣应用于实际工程具有一定的参考价值.     

深部岩体中断续节理对巷道稳定性影响的数值试验

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,通过对具有断续软弱结构面深部岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移和应力变化进行了分析,对巷道在载荷作用下的声发射和位移特性进进行了探讨,着重研究了深部岩体中节理对巷道稳定性的影响。这对于进一步理解深部岩体中节理对巷道影响进而采取有效的加固措施等具有重要的理论和实践意义。     

节理倾角对岩体破坏特性影响的单由压缩数值试验

岩体中的节理通常会对岩体的破坏特性产生决定性的影响,本文通过对单轴压缩试验条件下含不同倾角节理的岩体试样破坏过程的数值试验,发现由于岩石材料的非均匀性,不合节理时岩石试样的宏观破坏主裂纹位置和方向不确定,具有一定的随机性,而且峰值强度较高;含节理的岩体宏观破坏时主裂纹明显受节理的影响,除节理倾角0°情况外,主裂纹均与节理的上下端相连;含节理岩体的峰值强度均低于不合节理的岩体,并且节理倾角60°以下时岩体峰值强度较低,而60°以上时峰值强度开始明显升高,90°时甚至接近不含节理的岩体.     

填埋场复合衬垫系统直剪试验的数值模拟

 考虑填埋场衬垫系统材料间的接触特性,建立了复合衬垫系统直剪试验的有限元模型,采用ANSYS程序对填埋场复合衬垫系统的直剪试验过程进行了数值仿真分析。给出了不同法向力作用下不同加载时步衬垫系统中土工膜-黏土界面的剪应力云图,研究了界面内剪应力的分布情况,分析了接触面最大剪应力出现的位置及界面切应力变化特征;绘制了衬垫系统界面的应力-位移关系曲线,探讨不同法向力作用下不同位置点沿剪切位移方向的切应力τ_zy和垂直剪切位移方向的切应力τ_zx变化特点。结果表明,随法向力增加,界面切应力-位移曲线的硬化现象越明显;界面边缘位置处的切应力较大是界面破坏的源头;数值模拟可以再现试验发生的宏观现象,这是研究衬垫系统内部作用机理的一种有效途径。     

用人工神经网络预测岩石节理的抗剪强度

提出运用人工神经网络方法预测岩石节埋抗剪强度,在该方法中应用相对作用强度RSE确定网络中各输入因素对抗剪强度的影响程度,并根据分形节理力学性质和光弹试验数据进行网络训练、参数预测,结果表明：该方法可以用来预测岩石节理抗剪强度并推广应用。     

基于不同材料模型的混凝土SHPB试验数值模拟

为了分析不同材料模型对混凝土分离式霍普金森压杆(SHPB)试验数值模拟结果的影响,在LS-DYNA软件中分别运用KC,HJC,CSC三种材料模型对混凝土的SHPB试验进行模拟.利用脉冲整形器对入射波进行整形以减小弥散效应,实现恒应变率加载,并从SHPB试验的基本假定出发验证了有限元模型的准确性.通过数值模拟得到了不同撞击速度下基于3种材料模型的混凝土破坏过程及其应力-应变曲线.结果表明:KC,HJC,CSC三种模型基本上能够反映混凝土的动态力学特性,且KC模型和CSC模型的失效模式为核心塌陷,而HJC模型则表现出留核现象;在相同的平均应变率下,HJC模型和KC模型的动力放大系数大于CSC模型;随着平均应变率的增加,峰值应变增大,CSC模型和HJC模型的割线刚度减小,而KC模型的割线刚度变化不明显.     

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.