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。     

非贯通节理岩体等效强度及破坏特性

应用PFC2D数值模拟软件,选取适当的细观力学参数,建立非贯通节理岩体试样数值模型并进行双轴试验,设置监控圆监测岩体压缩过程非贯通节理面上不同位置应力及其变化情况。以莫尔-库仑强度准则为基础,对非贯通节理的等效强度参数进行推导,提出含非贯通节理的岩体等效强度公式。建立等效岩石试样和节理岩体试样数值模型进行双轴压缩试验,对含非贯通节理岩体等效强度进行数值模拟。研究结果表明:双轴压缩过程岩桥上应力大于相同时刻节理面上的应力,且岩桥达到峰值强度时节理面并没有达到峰值强度。等效强度公式计算得到的非贯通节理岩体强度与数值模拟得到的强度比较接近,应力-应变曲线基本一致。     

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。     

非均质性对岩体应力场反分析结果的影响

从弹性介质的假定出发,利用“等效”节理岩体等效模型和节理岩体统计等效模型,分析了有限单元法位移反分析反算岩体弹性模量和原岩应力场的问题,通过参数研究,讨论了岩体节理和非均质性对位移反分析结果的影响.结果表明,在节理岩体“等效”连续介质力学模型假定下,采用不同力学模型对反算的弹性模量值有较明显影响,而节理岩体力学参数非均质性对反算原岩应力场的影响很小,均质、各向同性假定在原岩应力场实测和位移反分析中是适用的.     

层状岩体等效模型数值分析

由层状岩层组成的岩体具有明显的非均质与各向异性特征。对于分层厚度及力学性质随机变化的较一般情况,本文从等效模型概念出发,将层状岩体简化为等效横观各向同性体。同时,为了模拟岩体的不连续面,给出了等效岩体模型节理单元的表述,并提出了一套完整的边界元算法。     

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.     

用超级单元法分析含空洞介质的等效弹性性质

在Kachanov对基体材料中含有任意个椭圆空洞的弹性势函数的基础上，给出了对应的等效弹性常数的简单表达式，建立了以单元边界内力为基本未知量的超级单元刚度矩阵方程，通过对铝合金薄板的数值计算，并和实验结果相比较，验证了理论分析与超级单元数值模型的有效性和可靠性。     

加卸荷条件下非贯通节理岩体破坏特性研究

采用颗粒流软件PFC(particle flow code)对非贯通节理岩体加卸荷条件下破坏特性进行研究。对砂岩材料进行室内单轴压缩试验,获取该岩样的抗压强度、弹性模量等宏观特征。采用PFC颗粒流软件中的平行黏结模型,构建完整试样,利用DFN(discrete fracture network)创建非贯通节理,并采用更符合实际工程的应力/时步加卸压方式对非贯通节理模型开展三轴压缩与非线性加轴压卸围压数值模拟。研究结果表明:在三轴压缩模拟中,峰值应力下降主要是因为岩桥内剪切裂纹增多,岩桥上方先出现裂纹的延伸,随后引发岩桥的贯通;在非线性加轴压卸围压模拟中,当轴向应力达到峰值后,岩桥破坏缓慢,且拉伸裂纹与剪切裂纹分布较均匀,岩桥贯通后,裂纹向模型上部进行扩展,最终破坏形式为非贯通节理上下两部分的滑移变形,且节理的破坏程度远大于三轴压缩的破坏程度。在卸荷过程中,节理两侧剪应力最大,岩桥中心次之,节理面的剪应力最小。     

加锚节理岩体的复合界面元模型

利用界面元法来研究岩体中的不连续问题是非常有效的。文章研究了节理岩体作为复合块体的等效模型,建立了包含层状节理的复合界面元分析模型,并研究了包含锚杆界面的加锚岩体复合界面元非线性分析模型;针对锚杆所穿越节理面有可能相接触和张开2种情形,分析了锚杆在节理面的抗剪作用机理,导出了相应的弹塑性矩阵。给出的算例表明该法是适用有效的。     

超轻多孔类蜂窝夹心结构创新构型及其力学性能

通过优化排列六边形和四边形夹心胞元,以六边形和四边形的组合设计胞元结构,提出了类蜂窝夹层结构的概念并对其进行了创新构型;基于Gibson提出的胞元理论,建立了类蜂窝夹心结构力学等效模型,并推导出了等效模型的等效弹性常数公式。以卫星结构的蜂窝夹层板作为应用实例,对类蜂窝和正六边形蜂窝夹心结构的等效力学常数进行了计算对比,结果表明:两者的等效弹性模量近似相等,然而类蜂窝夹心结构的等效剪切模量却有较大提高,同时等效密度更小,可有效减小结构的质量。对卫星结构类蜂窝夹心结构进行了数值模拟研究,验证了类蜂窝夹心结构力学等效模型的正确性。     

基于节理岩体损伤本构的洞室位移反分析研究与应用

基于对洞室位移反分析中开挖扰动区处理方法的总结分析,探讨将节理岩体损伤本构应用于反分析研究中的实现方法。通过FLAC3D预留的二次开发接口,修改其内置应变软化模型的数值计算格式,即对位于屈服面以外的应力点采用修正应力张量分量的方式替代主应力修正的方式,使修改后的本构模型可适用于各向异性的节理岩体,同时结合FISH语言编制的节理裂隙几何参数随开挖过程的演化程序实现对节理岩体等效柔度张量的更新,从而完成节理岩体损伤本构的FLAC3D二次开发。采用基于支持向量回归机与PSO-DE优化算法的增量位移反分析方法,应用该本构模型对思林水电站地下厂房围岩参数进行反分析。研究结果表明:对于开挖于含成组展布且相对结构尺寸为小量的断续节理岩体内的地下洞室位移反分析问题,将节理岩体损伤本构引入其中是一个很好的尝试,扰动区内围岩的等效弹模平均降低约为20.13%,计算增量位移值与量测值的相对误差在7.54%~16.56%,反分析成果是合理和可靠的。     

基于BARTON-BANDIS本构模型的节理岩体边坡稳定性离散元模拟分析

利用离散元对节理岩体工程进行稳定性模拟分析时,节理的本构关系对模拟结果有重要的影响,详细的介绍了基于离散元UDEC软件,利用Barton-Bandis (BB)和Mohr-Coulomb(MC)两种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,分析节理岩体边坡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,因此,离散元中BB模型更适合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。     

裂隙岩体的弹塑性本构模型及有限元分析

首先用弹塑性理论建立起裂隙的非线性应力应变关系,然后引入表征单元体的概念,定义了平均应力及平均应变。在此基础上建立了裂隙岩体的本构模型。该模型克服了应变叠加原理的不足,同时有效地模拟了裂隙的强烈非线性变形及剪帐等特性,编制了相应的三维有限元分析程序,并给出了算例分析,计算表明,裂隙的存在对整个岩体的变形及稳定性起控制作用。模型可直接应用于裂隙岩体的渗流应力耦合分析研究。     

等效连续裂隙岩体渗流与应力全耦合分析

推导了等效连续裂隙岩体渗透性与应力变形的关系,根据应变等效原则推导了等效连续裂隙岩体的弹性矩阵,首次采用四自由度全耦合法,建立了等效连续裂隙岩体渗流与应力的全耦合有限元方程组,进行了等效连续裂隙岩体渗流与应力的全耦合分析。     

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.     

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。