含天然硬性结构面大理岩破裂过程与机制研究

以2种不同矿物含量的天然硬性结构面大理岩为研究对象,采用数字图像相关方法实时跟踪整个破坏过程中岩石表面的变形场演化,研究单轴压缩条件下大理岩试样中天然硬性结构面的起裂、扩展和贯通直至破坏的整个过程,结合电镜扫描技术,系统探讨其变形与强度特征以及硬岩破坏的硬性结构面控制效应。结果表明:结构面的矿物成分含量影响着岩石的整体力学性质,当结构面与母岩矿物成分含量相差较大时,试样整体强度降低且变形相对较小;而当结构面与母岩矿物含量接近时,硬性结构面的产状对大理岩破裂过程起控制作用,且并非所有的硬性结构面都会对大理岩的变形破坏产生影响;采用位移场和应变场演化相结合,可以更好的描述加载全程硬性结构面从弱非连续到强非连续的变形破坏过程;大部分岩样在加载初期,其变形场并没有由于硬性结构面的存在而产生明显的位移非连续特征,硬性结构面在破坏前变形较小,破坏在短时间内发生,造成能量急剧释放,该研究有助于解释硬性结构面控制型岩爆发生的力学机制。     

岩盐力学特性的试验研究

针对岩盐这一特殊性质的岩石，进行了基本的力学特性试验，包括单轴压缩、间接拉伸及变角剪切。通过试验，发现无水芒硝岩盐是一种软岩，强度较低，变形较大。在单轴压缩变形破坏过程中，具有与普通岩石试件不同的四阶段性特征。另外，由变角剪切试验结果分别获得了无水芒硝和钙质芒硝岩盐的强度曲线方程。     

论边坡两类优势面的概念及其研究方法

岩石边坡的变形与破坏,通常沿着岩石中存在的不连续面出现,故分析这些不连续面的分布、特征及其相互关系是至关重要的。本文在应用已有研究模式的基础上,提出两类优势面的概念及我们的研究模式,即通过边坡地质优势面和统计优势面的分析,求得真正优势面以评价边坡的稳定性。实践表明应用这一研究模式和程序使力学和地质分析有机地结合起来,有利于边坡问题的解决。     

基于改进遍布节理模型的陡倾千枚岩隧道灾变机制研究

为了研究陡倾千枚岩隧道的施工力学特性,在FLAC3D中对一种可同时考虑千枚岩强度各向异性和弹性变形各向异性的改进遍布节理模型(横观各向同性弹塑性遍布节理模型)进行二次开发,并推导出横观各向同性材料的弹性变形各向异性分析理论公式。此外,对陡倾千枚岩隧道开挖过程进行数值模拟,揭示陡倾千枚岩隧道的灾变机制,验证了本构模型的有效性。研究表明:由于千枚岩弱面的抗剪强度较低,使隧道围岩容易发生节理剪切型破坏;千枚岩弱面的抗拉强度较低,使隧道壁面平行于弱面位置附近围岩容易发生节理张拉型破坏;高地应力产生的压应力集中使围岩易发生岩石基体剪切型破坏;围岩岩石基体张拉型破坏在隧道开挖过程中不易发生;受千枚岩的各向异性特性影响,围岩位移场呈现显著的不对称性;较大的水平–竖向应力比造成围岩发生向隧道内的水平挤压变形,是造成支护结构失效的主要原因。本文研究成果可为类似工程提供有益参考。     

火成岩地区露采边坡主要变形破坏类型和模式

我国广泛分布的火成岩地区赋存着丰富的金属矿床。因此研究火成岩地区露采矿山边坡的稳定性有着十分重要的意义。 影响边坡岩体运动的最主要因素是破裂结构面（优势面）,其他重要因素是岩石蚀变、地应力和地下水。按照两类优势面的观点并根据长期的资料积累,我们归纳出火成岩区岩石边坡变形和破坏的六个主要类型和十四种模式（工程地质模式）。它们对边坡稳定性分析具有较普遍的意义。以这些模式为基础建立相应的数学力学模型,就可进一步对岩石边坡稳定性进行定量评价。 根据两类优势面的分析方法,本文还提出了预测岩石边坡将来可能发生的变形、破坏模式之五种方法。     

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

岩石剪切破坏过程的RFPA2D数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA^2D系统，对岩石剪切破裂过程进行了数值模拟研究。将剪切岩石视为非均匀弹－脆岩石材料，模拟结果再现了岩石剪切滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程，剪断面是滑动形成的主要形式，并首先在试样一端出现，然后再形成由一端及里的剪断面扩展直至另一端最后产生剪断面破坏贯通，形成统一的滑动面，岩石剪切破裂面分形维数还对应着剪断面的粗糙程度和力学行为。     

节理面对千枚岩物理力学性状的影响

节理面对岩体物理力学性状具有显著影响。以千枚岩为例,开展常规三轴压缩试验,讨论节理面与最大主应力夹角、围压对岩石破坏模式的影响。结果表明:1)节理面与最大主应力夹角在5°~45°,破坏模式有张拉-剪切复合型破坏、横交节理面剪切与沿节理面滑动的复合型破坏以及沿节理面间的剪切滑动破坏三种;2)随节理面与最大主应力夹角增大,峰值强度逐渐降低,破坏模式发生由复合型向单一型的转变;3)千枚岩变形、强度参数具有明显"夹角效应",节理面与最大主应力夹角对弹性模量和黏聚力影响较为显著;4)围压增大会降低岩石节理面的力学效应。     

软弱泥岩夹层对层状盐岩体力学特性影响研究

我国岩盐矿床具有夹层多的特点,夹层对岩盐矿床开采和油气储库建造及稳定性均有极为不利的影响.泥岩是软弱夹层的主要组成部分,含软弱夹层的层状岩盐试件很难完整取得,在实验室进行了模拟软弱夹层对层状岩盐体力学特性影响的研究,实验发现泥岩试件随强度的提高,相应弹性模量也逐步增强,但体现横向变形能力的泊松比变化不大;含泥岩夹层岩盐试件的强度接近于泥岩,而泥岩的强度仅为纯岩盐的20一47%,说明软弱夹层对层状岩盐体的强度起决定作用.通过对层状岩盐进行应力一应变分析,得出泥岩夹层和岩盐的不同破坏方式是由于夹层附近的岩体拉压应力的相互转换造成的,同时分析了造成反复应力的原因.实验结果与层状岩体变形破坏的理论解释相一致,验证了理论的科学性,同时也获得了层状盐岩体的力学特性与软弱夹层特性的相关关系.对我国层状盐岩体油气储库建造具有指导意义和参考价值.     

岩体弱面延展性的概率估算及其应用

岩体材料常被各类构造弱面所切割分离，这些弱面的特性严重影响甚至控制着岩体材料的力学及水力学性能。正确地对岩体中各类弱面的空间分布进行描述，对研究不同结构岩体的破坏机制，以及对合理地处理和解决岩体工程中的实际问题都具有重要意义。文章重点介绍了描述弱面的重要参数之一的弱面延展性的概率估算方法及其应用。     

Simulation of a fully coupled thermo–hydro–mechanical system in freezing and thawing rock

This paper describes the application of a numerical model of thermal–mechanical–fluid flow coupling system to the simulation of laboratory freezing and thawing experiments on rocks. A theoretical formulation that accommodates a linear stress–strain constitutive relationship is presented and a two-dimensional (plane stress) numerical modeling is performed based on the finite element method applied to thermo–poro–elasticity. As the primary objective of this research is to simulate the freezing and thawing process, the developed code takes into account the phase change of pore water during freezing. It is found from the numerical simulation that a relatively good prediction can be made of temperature transfer and deformation behavior within the elastic deformation limit. In some cases, however, large deformation results from the freezing processes, leading to material failure. Future research should therefore take into account irreversible and plastic effects.     

白鹤滩水电站边坡结构面强度及稳定性分析

结构面变形及其破坏特征是岩体岩石力学研究的基本问题之一,针对白鹤滩水电站边坡工程,本文利用数值方法,研究了影响控制性结构面强度的一般性因素,确定了控制性结构面强度上限值;基于反演手段,获取了控制性结构面综合强度指标,并由此建立河谷演化模型再现河谷地应力场,根据结构面地应力赋存环境为选择合理的结构面本构模型奠定理论依据。在上述基础性研究前提下,利用平面数值计算手段分析了左岸边坡稳定性特征,并对平面计算结果进行了合理性评价;最后,基于岸坡改造、破坏过程中结构面性状弱化这一前提假设,利用强度折减法揭示了左岸边坡变形、破坏方式。解决了工程问题,并得到有关的方法应用认识。     

Computational method of large deformation and its application in deep mining tunnel

The characteristics of deep rock mass, such as the elastic resilience, creep, stress release, expansion, dilation and the long-term strength, are of great importance to the rock mass deformation and failure mechanism. However, there is not yet a constitutive model which can describe all these properties of the deep rock mass. The proposed dynamic failure constitutive model in this paper analyzes the elastic resilience and the dilation deformation of the surrounding rock mass during the unloading process, and the pre-peak (elastic and internal frictional hardening stages) and the post-peak(softening and residual failure stages) stages are also taken into account. A computational software has been coded based on the dynamic explicit finite element method. The constitutive model has also been implemented into this software. The complete stress–strain relation using the new model in numerical unloading test was obtained. The sensitivity of the parameters of the dynamic failure constitutive model has also been analyzed. Based on the long-term monitored data for Zhuji coal mine, the parameter inversion of the two different sections of the piebald mudstone has been conducted with the nonlinear least square method. Further, the whole process simulation of the deformation of Zhuji coal mine has been performed with the inversed parameters. A high degree of agreement on the deformation has been achieved by the comparison between the calculated and the measured data in actual engineering project.     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

爆炸荷载作用下钢结构的动力响应与破坏模式

采用对空气扩散有限制的典型爆炸超压模型,考虑应变速率和损伤累积效应对钢材的影响,应用ABAQUS有限元分析软件,对钢柱和平面钢框架在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏模式进行了数值模拟和分析。结果表明:采用Johnson-Cook本构模型以及考虑损伤累积效应的失效准则,可以有效地模拟钢结构在爆炸荷载作用下的动力反应;降低柱顶集中荷载或者减小柱长度,可以有效地提高钢柱在爆炸荷载作用下的承载能力;在爆炸荷载作用下,钢柱产生不可恢复的塑性变形而丧失承载能力,是平面钢框架发生整体倒塌的主要原因。     

基于SPH的土质边坡稳定性及失稳后大变形数值模拟

本文采用光滑粒子流体动力学(SPH)法对土质边坡稳定性及其失稳后的大变形进行数值模拟研究。该方法既可以分析边坡的稳定性系数和潜在滑移面,又可以对土质边坡失稳后的大变形过程进行模拟,从而弥补了传统数值模拟分析方法的不足,为土质边坡稳定性及失稳后滑坡大变形分析提供了一种新的方法。首先,采用Fortran语言编写了模拟土质边坡稳定性及失稳后滑坡大变形分析的SPH程序;其次,采用一个经典算例,验证了本文程序和方法在进行边坡稳定性分析时的准确性;最后,为验证该法模拟黏性土质边坡滑坡大变形的准确性,笔者自行设计了一组黏性土体滑坡大变形物理实验并与SPH模拟结果进行了对比。研究成果表明,基于弹塑性本构模型及D-P屈服准则的SPH方法可以较准确的模拟稳定性系数及潜在滑移面,并且可以较准确地模拟失稳后的滑坡大变形发展过程,弥补了目前数值模拟方法的不足,是一种值得推广的新型稳定性及滑坡大变形分析方法。     

基于黏聚区域模型的边坡渐进破坏过程强化有限元分析

剪切带非连续变形描述及剪切带扩展过程模拟是边坡渐进破坏过程分析的关键,基于黏聚区域模型及强化有限单元法提出一种剪切带渐进扩展过程模拟的有限元分析方法。首先,将剪切带两侧相对变形分解成分别由常规应变和附加应变确定的相对位移,提出具有弱非连续变形特征的剪切带变形等效强非连续变形描述方法,并采用黏聚区域模型表征剪切带应力和附加相对位移间的软化本构关系。其次,基于强化有限单元法描述强非连续变形,并构造相应的无厚度剪切带单元。在此基础上,提出剪切带渐进扩展模拟的有限元算法。算例表明,此方法不仅能够很好地模拟剪切带的应变软化特性,而且有效地克服了常规剪切带模拟具有的网格敏感性问题。