基于PFC2D的断续岩桥直剪强度特征及能量演化机制研究

针对不同连接率断续节理岩体,基于ＰＦＣ２Ｄ颗粒流程序在不同法向应力下进行直剪试验,研究其剪切破坏过程及强度特性。数值模拟结果表明:断续岩桥的贯通破坏过程具有明显的阶段性,可根据剪切应力曲线以及微观裂纹扩展特征将其大体分为４个阶段;断续岩桥的初裂强度和剪切峰值强度与法向应力成正相关而与节理连通率成负相关,初裂强度百分比对法向应力变化不敏感而随着节理连通率的增加而增加;岩体内部能量的演化过程能较好的匹配断续岩桥的贯通破坏过程,可将应变能、耗散能的突变点作为断续岩桥贯通破坏的标志,耗散能对法向应力的变化较节理连通率更为敏感。     

不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的颗粒流模拟

为了探究不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的裂纹扩展过程及破坏模式,基于颗粒流方法,对试样施加不同法向应力,并探讨了预剪面应力演化过程。研究结果表明:根据微观裂纹的张、剪属性及其演化过程,岩桥破坏模式大体可分为5类,且与法向应力和节理面粗糙度密切相关,法向应力、节理粗糙度的增加都会促使岩桥向剪切破坏方式转变;初始翼裂纹与原节理面的夹角对法向应力变化不敏感,而随着节理粗糙度的增加而减小;在剪切过程中,预剪面上的应力分布不均匀且不断进行重分布,对于平直节理岩体剪应力主要由岩桥承担,且无论水平向还是法向,岩桥部分压应力均大于节理部分;而对于粗糙节理岩体,剪应力由节理和岩桥共同承担,且节理部分的应力均高于岩桥部分。研究成果对进一步明确断续节理岩体的力学参数有参考价值。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

节理岩体岩桥断裂扩展机制细观模拟

大量岩土工程的失稳破坏与其内部节理裂隙的扩展、贯通密切相关,因此,研究节理、裂隙的相互作用,分析节理岩体的强度特性及其变形破坏机制,可以合理地预测实际工程的可能破坏模式和评价工程岩体的稳定性。该文采用颗粒流程序从细观尺度模拟了岩桥的剪切破坏、拉剪复合和翼裂纹扩展破坏3种贯通方式,并且分析了其扩展机制。     

共面断续岩桥直剪试验破坏过程研究

岩桥对岩质边坡稳定性起控制性作用,而非贯通性节理岩体是广泛存在于岩质边坡中的一种岩桥载体形式。研究共面断续岩桥连通率对岩石抗剪性能的影响,可为岩质高边坡稳定性评价提供理论依据。以直剪试验的形式,通过石英砂、水泥、石膏和水制备直剪试验试样, 并预留相同长度的3条共面断续节理,对共面断续岩桥进行剪切模拟,分析其破坏模式、破坏过程演化机制和力学参数。结果表明:直剪试样呈现张拉破坏、拉剪破坏和剪切破坏3种破坏模式,以剪切破坏为主,节理所在面为控制性结构面;试样破坏过程依次呈现为裂纹稳定、裂纹破坏和残余变形阶段;随连通率增大,抗剪强度降低,黏聚力减小,内摩擦角小幅变动;共面断续岩桥连通率越大,岩石抗剪性能越差,岩质边坡稳定性越低。     

PFC~(2D)模拟研究不同工况的异面非贯通节理对岩体力学性质的影响

针对非贯通节理岩体研究中多以共面节理岩体为对象、对异面节理岩体力学性质研究较少的问题,为了更全面的研究非贯通节理岩体的贯通扩展规律,基于直剪模型试验及相关颗粒流理论,利用颗粒离散元数值模拟软件PFC~(2D),研究不同工况的非贯通异面节理岩体。对比异面节理起伏角度、节理倾斜角度(节理与水平剪切方向的夹角)、节理连通率以及试验加载速率和法向应力对异面非贯通节理岩体扩展贯通机理和强度特性的影响。试验结果显示以上五方面对非贯通节理岩体的力学特性影响显著:(1)异面节理的起伏角度越大,非贯通节理岩体的峰值抗剪强度越大,抗剪能力越强。岩体的峰值剪切位移随着节理起伏角度的增大有增大的趋势。(2)非贯通节理岩体的峰值剪切强度、峰值剪切位移会随着试验剪切速率的增大逐渐增大,但增大的速率和幅度会随剪切速率的增大而变小。(3)非贯通节理岩体的峰值抗剪强度会随着法向应力的增大逐渐增大,且增大趋势呈线性。(4)异面节理的连通率越大,非贯通节理岩体的抗剪能力越差,峰值抗剪强度越小。峰值剪切位移亦随连通率的增大而减小,但减小幅度不大。(5)节理的倾角越大,岩体峰值切应力越大,抗剪能力越强。     

岩石锚杆界面滑移破坏的DEM数值模拟

锚固体与岩体之间界面滑移破坏是锚固系统失效的主要形式之一,开展岩石锚杆界面力学特性和破坏机制研究具有重要意义。基于岩石微观胶结接触模型,采用颗粒离散元(DEM)模拟了岩石锚杆的拉拔试验。首先分析了荷载-位移关系、轴力分布和界面剪应力分布规律,然后通过胶结破坏点的数目和组构研究了锚固段界面的微观破坏机制。主要结论有:模拟的荷载-位移曲线与室内试验结果基本一致;拉拔峰值荷载随锚固长度的增加而增大,界面平均粘结强度随着锚固长度的增加而减小;拉拔荷载值达到峰值后,锚固段界面产生渐进破坏;锚固段破坏在宏观上表现为界面滑移,在微观上主要表现为界面处的胶结拉伸破坏和沿轴力方向的微裂纹扩展。研究成果对开展岩石粘结锚杆的界面力学特性和破坏机制研究以及正确指导工程实践具有重要意义。     

非贯通节理岩体单轴压缩试验研究

对不同节理倾角、不同节理连通率的预制节理圆柱形岩体试样进行单轴压缩试验。结果表明:试样的强度、变形特性及破坏模式与节理构造形态密切相关;在不同节理连通率下,不同角度的非贯通节理试样的力学特性均表现出各向异性特征,随着节理连通率的增大,各向异性特征越来越明显,岩体峰值强度逐渐下降,岩体在弹性阶段的最大弹性模量也逐渐降低;相应地,试件的破坏模式也变得更加复杂,随着节理连通率的增大,应力-应变曲线的斜率逐渐减小,曲线出现多个峰值,且有较明显的屈服平台;非贯通节理岩体峰值强度和弹性模量随节理连通率的非线性变化规律,可分别采用二次和三次多项式函数表示,其系数与节理倾角有关;非贯通节理试样的裂纹变化特征与节理连通率、节理倾角有着密切的联系。     

典型结构面分布型式节理岩体室内直剪试验研究

针对节理岩体变形破坏及抗剪强度参数确定问题,开展了5种包含两条节理的典型节理分布型式的节理岩体试样的室内直剪试验研究。试验结果表明节理岩体的破坏主要表现为节理控制的节理与岩桥间渐进搭接破坏;对比分析了试验得到的25条应力应变全过程曲线,提出了应力应变曲线分类方法,包括滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型五种类型,揭示了不同类型曲线间的转化规律;对基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则进行试验验证,验证结果表明基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则计算得到抗剪强度偏低与试验结果相对误差较小(小于9%),可用于节理岩体综合抗剪强度计算。     

单裂隙辐射流节理面破坏过程水-力耦合研究

为研究单裂隙辐射流受外力和渗流力作用破坏过程的水-力耦合特性,采用预制柱形节理试件进行试验,并结合数值模拟进行综合分析。结果表明,节理破坏包括剪切接触和损伤滑移摩擦2个阶段,法向压力增大引起剪应力增大和裂隙开度减小,剪应力存在连续波动的波峰与波谷,优势水力通道的"U"形分布范围出现小幅扩散;水压力能缓冲节理破坏并带走细小颗粒,增大等效渗透系数,提升裂隙渗透能力,入口水压力增大引起剪应力减小;碎屑充填物主要分布在优势水力通道范围之外,既能影响裂隙的渗透能力,又在一定程度上作为缓冲区保护节理面不被继续破坏。     

考虑水软化-化学风化作用的岩石单轴压缩试验离散元模拟

西南地区以岩石地形为主,较为潮湿。而岩石在工程长期运行中,会受到水和化学风化作用的影响,分别表现出软化、强度降低以及力学性能劣化的特性。因此研究岩石在水、化学风化作用影响下的力学性质极其重要。本文采用离散单元法(DEM)模拟水软化-化学风化因素作用下岩石的单轴压缩试验,得到应力应变曲线以及破坏后微观信息图,从宏微观角度分析岩石受水、化学风化作用下力学性质,破坏模式的变化。模拟结果表明:随着岩石饱和度的增加,岩石的峰值强度、弹性模量不断减小,破坏模式由压剪扭破坏为主逐渐转变为拉剪扭破坏为主;随着化学风化程度增大,岩石峰值强度也随之减小,脆性破坏特征越来越不明显,与室内试验结果相吻合。     

填充节理直剪试验颗粒流模拟

针对天然节理岩体的安全问题,为了揭示填充物对节理剪切特性的影响规律,通过颗粒流程序(PFC)建立了填充节理试样,对岩石的宏观力学参数进行了标定,并编制了能够施加恒定法向压力的伺服模块和裂纹扩展监测模块。对比了填充节理与闭合节理的剪切特征差异,设置了8种不同填充度和4种不同法向应力方案。结果显示:因填充物在"岩石-填充物-岩石"接触效应中起到了缓冲作用,填充节理的剪切强度和破坏程度小于闭合节理。当填充度为0.25时,剪切应力峰值在5 MPa和14 MPa时为11.61 MPa和21.10 MPa,相比闭合节理分别降低36.86%和32.38%。这表明填充物对节理的剪切强度的影响不容忽视。随着节理填充度的增加,剪切强度非线性降低,并逐渐接近填充物自身的剪切强度;随着法向应力的增大,剪切强度线性增加。试样破坏图示和裂纹数量化结果表明,填充度的增加能够弱化试样的破坏而法向应力的增大能够加剧试样的破坏。进一步考虑了填充物摩擦性质的差异,发现其对试样的剪切强度和裂纹发育均有所影响。     

现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果,但主要集中于小尺寸（≤10 cm）的岩块,对较大尺度（≥50 cm）岩体破坏机理研究还较少。采用最新的SAMOS声发射系统,对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试。通过现场岩体直剪破坏过程中声发射特征参数与频谱特性研究,揭示了节理岩体破坏机制,深化了对岩体破坏机理的认识。测试结果表明节理岩体破坏过程中,声发射信号的主频范围为40～120 kHz,其直剪破坏过程可分为4个阶段：①弹性变形阶段,岩体内部没有声发射事件;②起裂阶段,声发射事件很少,岩体内部仅有少量的裂纹产生;③扩展阶段,声发射事件缓慢增加,岩体内部微裂纹不断扩展;④破坏阶段,声发射事件大量增加,微裂纹不断扩展贯通,岩体出现宏观破裂。根据研究结果可知：与传统的破裂从前端开始的观点不同,岩体试件中后端最先出现声发射定位事件,表明微破裂开始发生在岩体试件的中后端;随着剪应力的增加,声发射定位事件逐渐前移,当岩体进入破坏阶段后,微破裂集中于剪切面局部,岩体产生局部破裂化。     

复杂节理岩体的剪切强度特性的尺寸影响研究

基于三维块体离散元软件3ＤＥＣ程序,考虑存在三组节理的复杂节理岩体的情况,通过对10个 不同尺寸的岩体块体进行直剪试验模拟,探讨岩体尺寸对于剪切强度特性的影响效果。由于剪切面相 对节理面位置的不同,块体分为两组（第Ⅰ、Ⅱ组）,得出了法向应力作用下的剪切应力与水平位移的关 系曲线图。通过计算可得出剪切强度参数———黏聚力和摩擦角及其与块体尺寸的关系曲线。由此可 见,两组的差异较大,故在进行选择参数时应根据剪切面的位置分别进行考虑。最后对岩体的剪切强度 特性的尺寸效应进行了理论分析,认为节理岩体的剪切强度特性的尺寸影响的关键原因是节理结构面 的存在,节理的相对位置、组数、间距、材料属性等都是重要的影响因素。     

直剪条件下不同宽度岩桥破坏特征试验研究

通过直剪条件下的力学模型试验, 结合对模型破坏过程中声发射特征参数的分析,揭示了岩体在不同宽度岩桥和法向应力条件下的破坏特征。结果表明随着岩桥宽度的增加,破坏面起伏度、粗糙度都相应增大;随着法向应力的增加,破坏面的起伏程度和粗糙度减小,峰值剪切应力不断增大;不同岩桥宽度和法向应力导致岩体产生不同方式的破坏,包括剪断破坏、拉剪复合破坏和剪切破坏;声发射阶段性特征与岩桥贯通破坏过程一致,声发射事件数峰值随岩桥宽度和法向应力的增大而增大,其峰值出现时间在剪切应力达到峰值之后。研究结果为判别不同宽度岩桥变形与破坏各个阶段提供依据。     

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。