基于变形元件的节理岩体三轴压缩损伤本构模型

基于岩体结构力学观点,将岩体看作是由岩块和结构面组成的复合体,分别采用基于统计损伤模型的弹性损伤变形元件和考虑结构面闭合及滑动的变形元件描述岩块和结构面在压缩荷载作用下的变形规律,进而建立相应的节理岩体压缩损伤本构模型。其次,针对上述损伤本构模型中最大拉应变破坏准则不适合于描述三向受力状态下岩石破坏的不足,基于Mises屈服准则推导出三向应力状态下的最大主应变与围压之间的关系,进而将该模型推广至三维情形。最后,通过算例对该模型的合理性进行验证。研究结果表明:该模型能够较好地反映围压对节理岩体试件强度及变形的影响规律,即随着围压增加,节理岩体试样峰值强度增加,而试样破坏时的最终应变减小。     

层状岩体受压力学特征结构面效应数值分析

煤层底板岩体是沉积岩,具有显著的层状结构特点。为研究层状岩体压缩强度的结构面效应,通过FLAC3D数值软件,结合改进的遍布节理本构模型,建立层状岩体压缩数值模型,分析单轴、三轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明:层状岩体压缩强度具有显著的结构面倾角效应。随着倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈现先减小后增大的趋势。当结构面倾角为40°~80°时,岩体强度整体较低,破裂面主要沿结构面展开。数值试验和理论分析反映的岩体强度随结构面倾角变化规律一致。层状岩体弹性模量沿平行于结构面方向最大,而垂直于结构面方向最小,并随结构面与水平面之间夹角的增加而增大。     

三维裂隙单元法基本假设及控制方程

完整性好的块状结构岩体,岩石本身坚硬、压缩性小、强度高、岩体的变形和稳定问题由切割岩体的软弱结构面的压缩和剪切产生,三维裂隙单元法基本这一认识,假定岩体由完整的岩块和切割岩体的软弱结构面组成,岩块由各种软弱结构面包围,在岩体总的变形量中,岩块本身的压缩量很小,假设可以忽略不计,岩体的压缩和位移假设完全由结构面的压缩和结构面两侧岩体滑移引起;岩体本身的强度认为是无究大;剪切只能沿软弱结构面发生,本文在上述假设的基础上推导了三维状态下的岩体受力和变形计算公式,并列出了矩阵形式的控制方程,用于数值计算分析。     

层状岩体各向异性损伤模型及验证

为推导层状岩体各向异性损伤模型,研究损伤对层状岩体力学参数的劣化程度,通过层面局部坐标系下的两组损伤变量对横观各向同性弹性本构方程进行修正,经坐标转换形成整体坐标系下的损伤本构方程,采用室内单轴压缩试验和三轴压缩试验结果验证该损伤模型的合理性。研究结果表明:(1)通过层状岩体损伤模型计算所得的强度和变形参数均可较好地反映试验结果,并具有各向异性,计算出的应力-应变曲线与试验结果吻合较好;(2)通过该损伤模型,仅需层面倾角为0°和90°时的两组变形参数即可求解各倾角下的应力-应变关系;(3)通过对摩尔-库伦屈服准则中的参数进行损伤劣化修正,可对试件破坏后的力学行为进行预测。研究结果对于层状岩体的试验研究、理论计算和工程建设具有一定的指导意义。     

节理岩体单轴压缩强度预测

岩体单轴压缩强度是岩体稳定性分析的重要指标,推导了节理岩体的单轴压缩强度的理论计算公式,公式分别考虑了岩体的不同破坏形式,即沿节理面的滑动破坏和沿岩石内部的剪切破坏,并分析了节理面倾角对压缩强度的影响,得到随着节理面与加载方向夹角的增大．节理岩体的单轴压缩强度逐渐增大,并最终趋于定值的规律。     

柱状节理岩体相似材料力学特性试验研究

通过柱状节理岩体模型试验探究白鹤滩水电站坝区柱状节理岩体各向异性特征.使用了模拟岩体内部节理的新方式——3D打印制作不同倾角六棱柱形节理试件,以树脂为节理打印材料,水泥砂浆为模型材料,通过立方体试件单轴压缩试验考察节理岩体强度随倾角0°~45°变化的各向异性特征.试验结果表明:岩体压缩强度随着节理面延伸方向与竖直方向的夹角的逐渐增大而减小,单轴压缩下柱体破坏模式主要为剪切破坏.     

考虑围压影响下的层状岩体压缩特性

为了研究围压作用情况下的层状岩体压缩特性,采用数值方法建立分析模型,计算不同围压下岩体的应力和应变后发现,随着结构面倾角的增大,层状岩体的抗压强度呈现先减小后增大的趋势;结构面倾角为60°时试件的三轴抗压强度最小;层面倾角为90°时对应的三轴抗压强度最大;对于相同倾角的试件,三轴压缩强度与围压呈显著的线性关系。数值试验反应的岩石应力-应变曲线与试验得到的结果相符,随着围压的增大,试样的刚度不断增大,弹性模量与围压之间呈线性关系。     

考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型

采用Fish语言对FLAC3D软件中的Interface单元进行修正,将Interface单元的法向刚度和切向刚度转化为时间的蠕变函数,便可得到在数值分析中考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型.计算结果表明:节理岩体的单轴蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的倾角小于45°时,节理岩体单轴蠕变量随着节理面倾角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,轴向蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小;若固定节理面的切向蠕变参数,增加其法向蠕变参数,则节理岩体的轴向蠕变量也会随之减小.     

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.     

双轴压缩下双裂隙类岩石材料破坏试验

通过预制双裂类岩板试件进行双轴压缩破坏试验,分析了不同裂隙倾角和不同岩桥角度对岩体破坏模式的影响。试验结果表明:双轴压缩下双裂隙岩体应力—应变曲线呈现S型,试件裂纹历经闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹的萌生和扩展(或试件局部变形)及应变软化阶段;不同的裂隙倾角以及岩桥倾角对试件的破坏模式以及岩桥贯通模式有较大影响;在相同裂隙倾角下,随着岩桥角度的增大,岩桥区域的贯通模式由剪切裂纹贯通模式向翼形裂纹和剪切裂纹的复合贯通模式,再向翼形裂纹贯通模式逐渐转化。     

断续节理岩体尺寸效应的数值模拟研究

基于细观统计损伤数值模型,通过统计宏观节理分布,建立包含随机节理的岩体模型。在不同尺寸的模型中,通过改变节理倾角、围压等,建立不同数值试样,试验研究岩体的节理倾角和应力水平对尺寸效应以及岩体力学参数的影响规律。结果表明:在随机节理岩体中,裂纹的萌生与贯通更容易发生在节理密集的薄弱面内,即优势破坏面;节理倾角对岩体的尺寸效应影响巨大,不同倾角下的节理岩体的特征尺寸与特征强度有很大差异,节理倾角β为60°、45°、30°时影响较为明显,β为75°、15°时影响较弱;模型尺寸为0.5 m×0.5 m时极限强度离散较大,随着尺寸的增加逐渐集中,整体的破坏模式由脆性破坏向渐进劣化转变,同时应力-应变曲线更加平缓;围压施加后,节理岩体仍然具有明显的尺寸效应,特征尺寸与特征强度均有所提高,降低主次优势破坏面之间的差异,会使更多裂纹在次优势破坏面中发育。     

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.     

压剪作用下节理倾角对类岩石材料破坏模式的影响

采用在水泥砂浆初凝前预埋云母片的方法制作含不同分布形态的充填节理试件,并对试件进行压剪试验,探究压剪复合作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响及节理岩体破坏机理。应用RFPA2D有限元程序建立相应的数值模型,进行数值计算。试验和数值模拟结果表明:节理倾角对试件初始破坏时翼裂纹的产生位置和最终破坏形态都有显著影响;不同倾角的节理在不同程度上弱化了类岩石试件的抗剪强度,节理倾角为15°时抗剪强度最小,而60°时最大;节理倾角小于45°时,试件破坏所需剪切位移小于无节理试件破坏时的剪切位移,节理倾角大于或等于45°时大于无节理试件破坏时的剪切位移。     

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.     

基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型

提出考虑宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型。首先介绍仅考虑微裂纹等细观缺陷影响的岩石损伤本构模型及仅考虑节理等宏观缺陷影响的岩体损伤本构模型,其次基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏观和细观缺陷耦合的复合损伤变量,从而建立基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型,最后通过引用岩石单轴压缩试验资料对模型合理性进行验证。研究结果表明:该模型能够较好地同时反映宏观和细观缺陷对岩体应力应变曲线的影响。同时采用该模型对含不同倾角的单节理岩体和含多条平行节理的岩体在单轴压缩荷载下的应力应变曲线进行分析,所得结果与相关文献中的试验及理论结果具有很好的一致性,说明了该模型的合理性。     

裂隙岩体中隧道变形破坏的节理有限元模拟计算

裂隙岩体是地下工程施工中经常遇到的一类岩体,研究其变形和破坏机理是工程安全施工的保证。以天平线关山隧道工程为例,采用基于修正Goodman单元的节理网络有限元法,将裂隙岩体看作由岩块和节理、裂隙组成的二元结构,其中岩块和节理、裂隙分别采用线性Mohr-Coulomb强度准则和非线性Barton-Bandis剪切强度准则。通过有限元软件Phase~2模拟分析了隧道开挖过程中裂隙岩体的变形破坏特点以及不同工况下隧道拱顶的沉降量,并讨论了Barton-Bandis准则中节理粗糙程度(J_(RC))的取值对围岩稳定性的影响。研究方法为裂隙岩体的数值计算提供了新手段,节理粗糙度(J_(RC))的反演结果能为支护设计和加固措施提供参考依据。     

基于数字图像技术的类岩材料直剪破坏试验研究

天然岩体包含孔隙、裂隙以及其他缺陷等,这将导致岩体力学性能产生一定的劣化。为研究裂隙倾角对岩体破裂失稳以及变形场的影响,分别制作了倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的7种预制单裂隙类岩试样,利用ZTRS-210岩石直剪仪和非接触全场应变测量系统进行直剪试验,并对裂纹扩展和全场应变进行同步监测。结果表明：类岩材料的峰值剪应力随裂隙倾角增加表现出增-减-增-减的趋势,裂隙倾角15°时最大,60°时最小;随着裂隙倾角的增加,试样的破坏模式由共面剪切破坏向拉剪复合破坏转变,倾角90°时为沿剪切面剪切破坏,并伴随较多的次生裂纹;相同倾角时,应变场随荷载增加由应变均匀分布转变为应变集中分布;应变均方差在压密阶段以及弹性阶段较小且增长缓慢,在塑性阶段以及破坏阶段骤增。研究结果可为岩体工程稳定性分析提供一定的参考。     

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.     

层状岩体单轴压缩室内试验分析与数值模拟

为了研究层状岩体抗压强度的层面效应,通过室内试验和数值模拟研究,分析层状岩体单轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明:随着结构面倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈先减小后增大的趋势,含有90°倾角结构面的试样其抗压强度明显大于含有0°倾角结构面的试样对应的抗压强度;数值试验得到的分析结果与室内试验结果相同,岩样的变形特征大致分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;压缩强度均随加载速率的增大而增大,并且压缩强度与加载速率之间的关系均可通过线性方程进行拟合,相关系数较大;在实际试验过程中,应根据不同模拟工况采用不同的加载速率。