基于有限元的不同粗糙度裂隙等效渗透性预测

含裂隙岩体的渗透性预测是分析油气开采、污染物迁移等渗透问题的基础。采用自行编写的子单元程序来求解不可压缩黏性流体的稳态Navier-Stokes流动方程,通过引入周期性边界条件(periodic boundary conditions, PBC)来消除以往的数值模拟中仅选用一小段裂隙而忽略裂隙延伸长度所产生的误差,并采用该方法探究了节理面粗糙度系数(joint roughness coefficient, JRC)、裂隙宽度以及裂隙两表面相互错动对裂隙渗透性的影响。结果表明：随着裂隙宽度的增大,JRC值对渗透性的影响减小;仅使用JRC值无法精确评估裂隙的渗透性。     

劈裂岩体结构面直接剪切试验研究

为了揭示粗糙劈裂岩体结构面抗剪力学性能及其影响因素,采用不同强度的水泥砂浆对不同形貌参数的人工劈裂结构面进行复制,利用岩石直剪仪开展48组恒法向应力条件下的直接剪切试验,获得不同参数组合条件下岩体结构面的抗剪强度以及峰值剪切应力与正应力的比值(应力比).基于对峰值剪切强度和应力比数据的定量分析,在BARTON模型的基础...     

基岩-混凝土胶结面剪切强度JRC-JCS模型研究

通过室内直剪试验，系统地研究了粗糙度、正应力对混凝土与基岩胶结面抗剪强度的影响，从而提出微风化花岗岩-混凝土胶结面剪切强度的JRC-JCS模型，并给出了该模型的粗糙度适用范围．该模型考虑了粗糙度和正应力对胶结面剪切强度的影响，解释了剪切试验结果．此外，讨论了胶结面剪切强度的尺寸效应，给出粗糙度系数JRC与胶结面尺寸的关系式，为工程设计提供参考依据．     

结构面剪切特性的试验与数值模拟分析

结构面的性质对岩体工程稳定性具有重要意义,通过室内试验和数值模拟,分析了结构面在直剪条件下的应力和变形特征,得到:①直剪试验过程中.剪力一剪切位移之间的关系逐渐从线性关系转化为非线性关系;当剪应力将要达到峰值剪切强度时,切向位移突然增大,岩体已开始沿结构面剪坏;②试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系;数值计算得到的应力应变关系与室内试验得到的结果相同,说明了数值试验的可靠性;③结构面剪应力的分布从结构面施加切向位移速率的一端向另一端逐渐增大:④随着法向应力的增大,最大剪应力分布区域基本上没有变化,说明法向力的大小对结构面剪应力的分布影响较小:并且根据Mohr-Coulomb理论.正应力在结构面上的分布情况类似于剪切力的分布情况.     

结构面非线性剪切模型的探讨

本文从另一途径(别于文献)出发,在用数理统计方法将结构面起伏状态规范化的基础上,将结构面的剪切屈服准则考虑成更符合实际的非线性模型,并利用模型的物理意义建立物理方程,最后得到屈服准则的显式表达式,以评价岩体工程中结构面的实际抗剪能力。此外,还对剪切过程中结构面的接触及破坏状态作了详细的描述。     

基于无人机影像的岩体结构面粗糙度获取

结构面粗糙度(JRC)控制岩质边坡稳定性。本文以高陡边坡岩体结构面为对象,结合无人机系统和图像处理技术,以分形理论为基础得出一套JRC的求解方法,实现了无人机获取岩体结构面力学参数的可能。     

糙面土工膜与无纺土工织物界面剪切强度及表面粗糙度变化规律

为了量化糙面土工膜表面粗糙度变化规律,研制了表面粗糙度测量仪,并进行了不同法向应力下糙面土工膜和无纺土工织物界面剪切和对应的糙面土工膜表面粗糙度试验。研究表明,糙面土工膜和无纺土工织物界面剪切强度是由糙面土工膜粗糙凸起和无纺土工织物纤维相互嵌入和拉拽作用产生的,界面的剪切峰值摩擦系数主要受到法向应力的影响,界面强度发展到残余强度,糙面土工膜粗糙凸起磨损趋于稳定,无纺土工织物纤维定向排列完成。     

软弱结构面加桩剪切特性的数值分析

为了探讨结构面在加桩情况下的剪切特性,采用数值计算方法建立三维结构面与桩单元模型.改变桩单元参数,探讨结构面剪切强度和变形特征的变化.研究结果表明:结构面加桩后剪切强度提高,并且加桩效应主要改变结构面的黏结力,而对内摩擦角的影响较小;随着桩倾角的增大,黏结力呈现先增大后减小的趋势;对于无桩情况,结构面剪应力-位移曲线表现为应变软化特征,而对于加桩情况,则表现为应变强化特征.桩长度增加导致结构面黏结力不断增大,但存在一临界桩长,当桩长超过该临界桩长后,桩长的影响逐渐减小.     

结构面发育硬质黏土原位剪切试验研究

为了解决黏土层间黏结强度弱,受扰动后易开裂,导致现场取样和室内试验难度较大,并且结构面发育的硬质黏土原位剪切试验数据相对匮乏的问题,针对缓倾角顺层结构面发育的第四系中更新统硬质黏土进行原位剪切试验,通过设计不同竖向压力级别,对比室内剪切试验及室内三轴试验结果,探讨结构面发育的硬质黏土剪切强度及剪切破坏模式,合理确定硬质黏土的剪切强度。结果表明：在原位剪切过程中,硬质黏土的剪切强度受结构面控制;综合分析土体结构与试验结果,硬质黏土的剪切强度可取内摩擦角为14.1°,黏聚力为27 kPa;除室内三轴试验中的黏聚力外,原位剪切试验硬质黏土的剪切强度普遍小于室内试验硬质黏土的剪切强度。     

酸性环境冻融循环对花岗岩剪切蠕变特性影响研究

为了研究酸性环境冻融循环对花岗岩剪切蠕变性能的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对中性、酸性环境中经历不同冻融循环次数的花岗岩试件进行细观特征分析和剪切蠕变试验.试验结果表明：(1)随着冻融循环次数的增加,岩石表面损伤程度加剧,酸性环境下的损伤明显大于中性环境下的损伤;(2)酸性溶液对试样蠕变性能影响显著,随着冻融循环次数的增加,试样的剪切蠕变变形和稳态蠕变速率逐渐增大,而平均瞬时剪切模量和长期强度呈现明显降低趋势;(3)试样的总损伤因子随着冻融循环次数的增加逐渐增大,冻融循环50次时试样的阶段损伤因子最大,并且酸性环境下的总损伤因子和阶段损伤因子均大于中性环境下的值.根据试验结果,以西原模型为基础,构建了一个考虑化学-冻融耦合损伤和应力损伤的蠕变模型.基于试验结果,利用1stOpt数学优化分析软件对模型参数进行辨识,将蠕变试验曲线和理论模型拟合的曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性,研究结果对于酸雨侵蚀的寒区工程长期稳定性研究具有指导意义.     

大理岩结构面非线性蠕变损伤本构模型研究

针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩富含节理的情况,对主要围岩大理岩进行含软弱夹层的剪切蠕变试验,结果表明在应力水平较低时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形和黏弹性变形组成,当应力水平较高时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形,黏弹性变形和黏塑性变形组成。在广义开尔文模型基础上增加一非线性项,来描述衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段;根据加速蠕变阶段岩石的损伤特性,选取基于应力水平和时间因素的损伤变量,建立了岩石非线性蠕变损伤本构模型,并通过试验结果对该模型进行参数辨识,验证了该模型的正确性和合理性。然后,分别利用该模型和西原(Nishiharamodel)模型对加速蠕变阶段进行拟合,结果表明提出的模型能很好地描述加速蠕变阶段,克服了西原模型的不足。     

巷道围岩锚固结构面剪切特性与破坏特征研究

为研究锚固巷道围岩结构面的剪切特性与破坏特征,采用FLAC^3D软件建立粗糙锚固结构面数值模型开展剪切试验,对锚固系统的剪切特性以及受力变形和破坏特征进行了系统研究。结果表明：锚杆能够有效提高结构面的抗剪能力,锚固系统的剪切应力在峰值位移处提升了0.33 MPa,在剪切结束时提升了0.93 MPa。锚杆所受剪切应力集中在结构面附近,锚杆所受的轴力在结构面两侧呈两组对称分布的压应力区和拉应力区。锚杆在结构面处的剪切应变较大,拉应变次之。锚固剂-围岩界面和锚杆-锚固剂界面的剪切应力在结构面处最大,锚杆-锚固剂界面所受剪切应力和受力范围更大。塑性破坏主要产生在锚杆与结构面相交处和结构面凸起处,锚固剂多是发生拉伸破坏,围岩则多是发生剪切破坏。锚杆-锚固剂界面更容易发生脱离,导致锚固系统失效。     

平均粒径和粗糙度对砂-玻纤网格布界面剪切特性

为了探究平均粒径和粗糙度对砂-玻纤网格布界面剪切特性的影响,开展了5种平均粒径砂(D₅₀)和4种粗糙接触面(R_a)的直剪试验。根据直剪试验结果得到平均粒径和粗糙度影响下抗剪强度-位移曲线、轴向位移-剪切位移曲线,并且通过示意图分析砂体的剪缩剪胀现象及抗剪强度的变化。结果表明：在砂剪切中,多为剪缩现象,随着D₅₀的增加,抗剪强度增大,内摩擦角增大,黏聚力为0 kPa,当D₅₀大于0.54 mm时,抗剪强度增长较快;在砂-玻纤网格布界面剪切中,多为先剪胀后剪缩现象,随着D₅₀的增加,抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均增大;随着R_a的增加,抗剪强度总体增大,黏聚力和内摩擦角均增大,当R_a大于0.16 mm时,抗剪强度增长缓慢;在砂-玻纤网格布界面剪切中,砂颗粒与格栅界面咬合,使得界面上不可移动的颗粒增多,剪切面范围增加,导致抗剪强度增大。该成果以期丰富砂-结构物界面剪切特性研究。     

锯齿状结构面在约束剪胀条件下剪切破坏形态的理论分析

本文在文献的基础上,利用弹性变形假设,导出了表征结构面在约束剪胀条件下的破坏特征及强度公式,并通过实验论证了理论分析的结果。     

非饱和泥质粉砂岩蠕变特性及其模型

以南宁第三系泥质粉砂软岩为研究对象,开展非饱和三轴压缩蠕变试验,分析含水率对岩石蠕变特性的影响;再在既有五元件蠕变模型中,引入非线性黏塑性元件,构建泥质粉砂岩的七元件非饱和压缩蠕变模型,分析相关蠕变参数的变化规律。结果表明,随着含水率增加,泥质粉砂岩的蠕变变形和蠕变速率显著增加,且蠕变长期强度明显降低,表明水对泥质粉砂岩蠕变变形影响显著;新建七元件模型较好地拟合了非饱和泥质粉砂岩全过程蠕变曲线。     

岩体地质结构面粗糙系数的分形估测

介绍了确定岩体地质结构面粗糙系数ＪＲＣ的分形估测方法,讨论了岩体地质结构面轮廓曲线与ＶｏｌＫｏｃｈ曲线的自相似性。分析表明,将Ｂａｒｔｏｎ标准轮廓曲线通过分形维定量化是确定ＪＲＣ值的有效方法,能避免目视产生的误差。     

隧道支护结构蠕变特性试验和非线性蠕变模拟

采用MTS815液压伺服系统对深埋隧道支护结构混凝土试件进行了三轴蠕变试验,分析了支护结构的蠕变特性,依据蠕变曲线特征求出了非线性蠕变参数。建立了考虑深埋隧道施工过程、围岩和支护结构蠕变特性的有限元数值分析模型,分析了围岩和支护结构的蠕变特性,得到了隧道初期支护和二次衬砌的位移特征及其不同位置处的有效应力和最大剪应力特征。隧道支护结构的位移、应力随时间的变化特征与不考虑蠕变效应有较明显的不同,计算位移与实际监测结果基本一致。对于深埋隧道,应该考虑围岩和支护结构的蠕变特性。     

用蠕变内应力预测高温管道残余寿命

用恒应变速率法测定高温管道蠕变内应力并预测其残余寿命,不管是以蠕变极限为失效准则,还是以持久强度为失效准则,都可获得令人满意的结果;而以蠕变极限为失效准则的蠕变内应力法与常规的以蠕变试验为基础的等温外推法相比,还具有试验时间短的优点。     

岩石单结构面剪切变形渗透性演化规律

为了研究剪切作用下单裂隙渗透性的演化规律,在Comsol中采用Weierstrass随机分形函数来生成单裂隙,调整2个裂隙面的相对位移来模拟剪切作用,通过分析不同剪切位移条件下裂隙隙宽的变化以及不同流量下的非线性效应发生的界定范围,并绘制散点图与函数曲线拟合确定剪切过程影响裂隙渗透率的因素,给出定量关系。结果表明：未发生剪切时,隙宽的概率密度分布满足标准的高斯分布,而随着剪切过程的发生,隙宽的高斯分布被破坏,仅体现标准高斯分布的部分特征;发生剪切时,渗透率先有一个减小的过程,然后在一定范围内波动;当Re>9.6时,流体开始从线性向非线性发展。对岩石单结构面剪切变形过程中裂隙孔径变化对流体渗流特性的影响进行模拟,可为分析地质体中结构面变形对地热变化的影响提供参考。