基于Cosserat理论的柱状节理岩体各向异性本构模型研究

针对白鹤滩柱状节理岩体的各向异性力学特性,引入三棱柱和四棱柱概化模型,采用Cosserat理论和Goodman当量叠加原理,基于一组节理岩体的微观介质体,得到其Cosserat扩展介质本构关系;然后将其用节理法向刚度和切向刚度简化处理,并叠加到空间三维Cosserat介质本构关系中,建立宏观意义上的四棱柱和三棱柱柱状节理本构模型;最后基于FLAC3D,将Cosserat各向异性本构模型用于白鹤滩柱状节理岩层隧道开挖数值模拟中,并对比分析各向同性和各向异性条件下围岩开挖各阶段应力-应变的差异及对工程的影响.相比各向同性本构模型,Cosserat各向异性本构模型3个方向上的应力相差较大,更能反映工程实际,对工程优化设计有着重要的意义.     

基于微结构张量的岩石各向异性弹塑性本构及其应用

提出了一种基于微结构张量理论的各向异性弹塑性本构关系,引入了微结构张量表征横观各向同性材料强度参数的空间分布函数,将莫尔–库仑准则拓展到各向异性。基于FLAC3D实现了自定义本构模型的二次开发,对柱体倾角为75°的柱状节理试样进行了三轴数值试验模拟,模拟结果与实验成果基本吻合验证了模型的合理性。将所开发本构模型应用于白鹤滩高坝坝基开挖工程的数值仿真计算,结果表明:坝基岩体开挖工况下各向异性模型较各向同性模型的变形特征更接近于现场监测。研究成果可为白鹤滩水电工程建设提供理论参考。     

柱状节理岩体各向异性强度准则研究

以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。     

柱状节理岩体宏观等效弹性模量尺寸效应研究

以金沙江白鹤滩水电站工程为背景,结合相关的岩石力学试验方法,建立了柱状节理岩体三维离散元模型,对柱状节理岩体进行了三轴压缩试验数值模拟。数值试验研究了六棱柱形柱状节理岩体柱体直径变化、四棱柱形柱状节理岩体柱体边长、节理错距变化对其等效弹性模量的影响。为研究随机柱状节理岩体柱体尺寸对岩体等效弹性模量的影响,提出柱体大对角线长尺寸控制方案,并研究了柱体大对角线长变化对岩体等效弹性模量的影响。通过与现场试验的对比研究,结果表明：随机柱体尺寸控制方案可靠;柱体尺寸的变化对与柱体垂直方向的等效弹性模量影响较大,是主要影响因素;四棱柱形柱状节理岩体错距变化主要对与错距平行的岩体等效弹性模量产生影响,对其它两个方向的等效弹性模量的影响较弱,是次要影响因素。研究结果为工程实践中等效力学参数的确定提供了相关参考。     

贯穿节理岩体变形等效本构及各向异性研究

在各向异性材料的弹性本构的基础上,基于应变迭加原理推导了贯穿节理岩体变形的等效弹性本构模型。应用该等效本构模型,分析了含有一组节理、两组节理和三组节理正交的空间各向异性。结果表明,层状节理岩体变形特性在空间上关于节理法线方向轴对称,柱状节理岩体变形特性在空间上关于平面对称,含三组正交节理的岩体特性在空间上关于平面对称。该等效本构模型未能考虑节理与节理之间、节理与岩块之间相互交错的影响,因而对于复杂节理岩体变形特性的研究有一定的欠缺。模型工程概念明确,获得的柔度张量可以表征岩体变形的各向异性,可以直接作为ANSYS软件的输入参数进行结构分析,为节理岩体变形各向异性引起的结构效应初步分析提供了一种较便捷的方法和手段。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

节理岩体各向异性力学研究综述

对节理岩体各向异性力学研究的现状与进展进行了系统分析和阐述,分别探讨了节理本身的各项异性力学性质,岩石介质和节理综合(即整个节理岩体)的各向异性力学性质,并对节理岩体本构模型、各向异性力学参数和屈服准则研究进行了较为详细的描述和比较,以指导实践。     

柱状节理岩体各向异性特性及尺寸效应研究

 白鹤滩水电站坝基基岩及深部洞室围岩以柱状节理岩体为主,其力学特性极其复杂。为此,开发多弱面软化本构模型,可以方便地定义和描述多组斜交节理面的力学属性和屈服后的软化特性;并考虑柱状节理岩体内部介质的非均匀性,从细观角度建立整体力学属性满足Weibull分布的概率模型;在对概率分布参数进行敏感性分析的基础上,结合刚性承压板试验结果,确定反映现场岩体结构的概率分布参数。同时,采用Voronoi算法构建了无规则性和随机性排列的四面体、五面体和六面体柱面的随机模型,综合该三方面因素对柱状节理岩体的各向异性特性展开研究,得出不同方向承载性能和变形特性的差异。对不同尺寸下多组试块进行分析计算,获取了不同方向的弹性模量和抗压强度随试块尺寸的变化曲线,证明柱状节理岩体还具有明显的尺寸效应,并确定了其特征尺度。     

基于3D打印技术的模拟柱状节理岩体试样制备方法

以规则正六棱柱型柱状节理岩体为对象,介绍了基于3D打印技术的模拟柱状节理岩体试样制备方法,即在SolidWork中建立柱状节理网络3D打印数字模型,以光敏树脂为打印材料,采用3D打印技术打印具有不同倾角的圆柱形柱状节理网络模型,并以此为模具,采用白水泥浆为模型材料进行浇筑,经过拆模、黏结等程序制备具有不同倾角的模拟柱状节理岩体试件;再通过对试件进行单轴抗压强度试验,分析模拟柱状节理岩体试件的强度、变形和破坏特征,初步验证了上述基于3D打印技术的制样方法能够较好考虑柱状节理岩体的结构特性,反映柱状节理对岩体强度的弱化效应,所制备的柱状节理岩体试件基本满足柱状节理岩体室内试验的要求。     

基于二阶损伤张量的节理岩体各向异性屈服准则

 为了在节理岩体的本构关系中反映岩体几何特征的影响，采用一个二阶损伤张量，将岩体各方向截面的连通率表示为其截面法向的连续函数。根据连通率将完整岩体与完全裂隙的内摩擦系数与粘聚力加权平均得到节理岩体的各向异性抗剪材料参数，从岩体的面抗剪强度准则(莫尔–库仑条件)出发，建立了各向异性节理岩体的抗 剪屈服准则隐式表达式。在主应力轴空间内，将损伤张量分解为各向同性部分和偏量部分，以损伤张量为各向同性时的临界屈服面单位法向量和显式屈服准则的解为基础，导出了一般情况下具有一阶精度的临界屈服面单位法向量的解，相应的显式各向异性屈服准则表达式为主应力的二次式，其系数是损伤张量的函数。研究了二阶损伤张量的6个独立参量：3个主值及其主轴与主应力轴的Euler角对岩体屈服各向异性的影响。针对6个参量取值的几种代表性情况，分别采用隐式屈服准则和具有一阶精度的显式屈服准则计算出屈服应力，绘出了偏平面和子午面内岩体屈服曲线的形状。研究表明，提出的节理岩体各向异性显式屈服准则具有很高的精度。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

横观各向同性岩体边坡与预应力锚索框架梁相互作用研究

为研究横观各向同性岩体边坡与支护结构的相互作用机制,结合高速公路边坡工程,对现场岩样进行分组实验,通过不同层理面走向的岩样进行单轴压缩实验,确定边坡横观各向同性岩体的弹性特征参数.在横观各向同性岩体的应力-应变关系等理论基础上,建立横观各向同性岩体边坡与预应力锚索框架梁相互作用的分析模型,提出预应力锚索最佳锚固角的概念,利用有限元法进行数值分析,对各种横观各向同性岩体边坡的预应力锚索锚固角度以及横观同性岩体边坡与预应力锚索框架梁相互作用进行参数研究,提出层理的方向性对支护结构影响的规律.研究结果表明,所提出的分析模型和方法可为横观各向同性岩体边坡的预应力锚索框架梁支护设计提供了理论依据和工程借鉴.     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究

针对几何形状特殊且为镶嵌结构的柱状节理岩体,为认识其各向异性力学特点和开挖卸荷下的破坏模式,首先在柱状节理玄武岩截面几何特征的现场调查统计和3类结构面的扫描电镜(SEM)分析基础上阐述柱状节理岩体在结构上的横观各向同性特点,然后通过垂直其柱体轴线方向和平行其柱体轴线方向的柱状节理岩体原位声波测试揭示柱状节理玄武岩的变形各向异性,进而通过不同取样方向岩芯的单轴压缩试验和现场岩块的点荷载试验阐明其强度各向异性特点,最后结合上述所获得的柱状节理玄武岩各向异性认识分析其开挖卸荷下的“结构–应力”控制型破坏模式及其结构劣化的具体表现形式,所得认识和结论对柱状节理岩体地层中地下洞室稳定性分析和支护设计具有参考意义。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。