基于工程体-地质体相互作用的接触面变形破坏研究

针对工程体与地质体的相互作用机制,研究工程体和地质体之间不规则接触面的性质和表征方法;提出立方体覆盖的新方法来直接测量表面分维,提高了测量精度.利用光贴片试验研究不同接触形态地质体与工程体共同作用的界面效应(界面的变形、破坏和滑移规律).开发了具有非均匀性和分形特性的接触面单元,建立了具有接触面特性的两体(工程体与地质体)力学模型.研究碾压混凝土坝和岩基两体相互作用的破坏模式和影响因素,以客观评价大坝整体的稳定性问题.应用断裂力学研究碾压混凝土坝和坝基两体相互作用时不规则坝踵裂缝扩展的稳定性,获得了裂缝扩展的临界长度和荷载,研究结果表明:两体接触面的粗糙性阻碍了裂缝的扩展.     

两种介质接触面剪切力学性能的试验研究

采用直剪试验研究一体两介质和两体两介质接触界面力学性能的影响,以砂浆和混凝土构造宽度方向一致不同形状因子λ的不规则接触面,用以模拟工程体和地质体的相互作用。根据直剪试验,分析了一体两介质试件和两体两介质试件的破坏状态及应力–位移曲线,得到结论:界面黏结力和正应力对两介质接触面的力学性能有很大影响;形状因子λ在中低等法向力下对于两体两介质接触面的剪切力学性能有着重要的影响,在高法向应力下接触面的剪切力学性能则由弱介质的强度等因素决定;由于破坏的状态和受力的方式不同,在中低等法向力下,一体两介质的峰值抗剪强度大于两体两介质的峰值抗剪强度;在高法向应力下,恰恰相反。     

岩石–混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理,在总结了几种典型接触单元基础上,根据谢和平提出的两体力学模型,采用有限差分程序FLAC,对岩石–混凝土接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟,研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明,两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段,节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

岩石-混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理，在总结了几种典型接触单元基础上，根据谢和平提出的两体力学模型，采用有限差分程序FLAC，对岩石一混凝士接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟，研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明，两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段，节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

基于工程体与地质体相互作用的两体力学模型初探

针对大坝和坝基、坝肩和库岸相互作用传统的一体两介质模型,提出了两体力学模型的基本概念、研究思路以及应用范围;阐述了一体两介质力学模型与两体力学模型之间的差异,并用单轴压缩实验进行了验证;建立了重力坝和坝基相互作用的两体力学模型,为大坝与坝基的整体稳定性研究与评判提供了一条新的途径。     

大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析

 博士学位论文摘要　进行大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析, 是解决评价和预测大坝、坝基、坝肩稳定性, 库岸边坡稳定性等问题的关键。运用岩体力学、渗流力学和结构力学相结合, 理论分析与工程应用相结合, 大坝与周围地质体相结合的系统研究方法, 以大坝及其周围有限的地质体为研究对象, 进行渗流场与应力场耦合分析研究。首先, 以大坝及岩体的结构类型为基础, 进行裂隙渗流力学基础研究, 分析大坝2地质体系统的渗流及渗流控制问题。然后, 同时考虑渗流对介质作用的渗透静水压力和渗透动水压力(渗流体积力或裂隙壁切向拖曳力) , 建立大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络非线性数学模型及渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型, 并开发求解此耦合分析模型的三维有限元程序与软件。最后, 进行小湾水电站坝区和龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析, 以及龙滩碾压混凝土坝渗流场与温度场耦合分析。在大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型及三维主干裂隙网络模型、渗透动水压力引起的裂隙壁(或碾压混凝土坝层面) 切向拖曳力、渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型、以及大坝2地质体系统渗流场与应力场(或温度场) 耦合分析的数值方法及三维有限元程序与软件等方面作了创新性的研究。实际工程计算结果表明, 考虑耦合作用时, 由于裂隙(层面) 隙宽的减小而使总渗流量减小, 使渗流场水头分布发生变化; 也使岩体(坝体) 各应力分量的最大值增加10%～ 20% 左右; 当水力坡度较大时, 裂隙壁切向拖曳力使剪应力明显增加; 和耦合分析相比较, 不考虑耦合作用得出的应力结果偏于不安全。随着渗透系数的增大, 渗流场对温度场的影响更加明显, 而温度场对渗流场的影响减弱; 渗流由低温向高温流动时, 使温度场温度普遍降低, 但使渗流场水头普遍升高。     

工程地质力学及其应用中的若干问题

工程地质力学是以工程为目的研究地质体变形破坏规律的科学。地质体具有非连续、非均匀、流-固耦合以及未知的初始状态的特性，工程地质力学的关键科学问题包括如何判断地质体的当前状态、描述地质体的力学特性以及分析地质体由连续到非连续的演化过程。工程地质力学研究应当以地学为基础、力学为手段、工程为目的，迫切需要解决的工程问题包括探测地质体的几何和力学特性，给出地质体稳定性的分析方法、地质工程设计依据以及地质灾害的预测预报方法。无论是模型实验还是模拟实验的结果能否回答工程问题取决于对地质条件的认知程度，但是，实验研究可以作为验证数值模拟结果的有力工具；地质调查和现场测量是工程地质力学必不可少的组成部分，地质体的力学分类体现了地学的基础作用，可实现地质环境描述定量化。针对工程需求建立力学模型可主要考虑含结构面岩体、土石混合体以及地质中裂隙流和岩土体的相互作用；实验室岩块实验的试样尺寸应作为地质体多尺度计算模型中的基本尺度。工程地质力学的主要研究内容应当包括给出关键的力学测量参数、研究获得这些参数的方法及相关的仪器：在提出和完善力学模型的同时，应更加注重新的计算方法的验证以及工程应用研究。     

台阶开挖基岩-填方体界面剪切强度及变形特征研究

以西南山区基础建设过程中高填方边坡工程为背景,为了研究含石率对基岩-填方体界面剪切特性与变形的影响,通过室内大型直剪试验,分别对两种含石率不同的试样进行直剪试验,分别研究填方体材料为纯土和在75%含石率的土石混合料条件下,结构面粗糙度、法向应力以及颗粒材料的微观力学特性对接触面剪切特性的影响。研究结果表明:含石率对填方体与基岩接触面的力学特性有显著影响,接触面剪切强度随含石率的增大明显提高;在相同条件下,含石率越小剪切过程的连续性越好;当含石率偏大且法向应力较高时,会对接触面前期的剪切强度形成不利影响。该研究成果可为填方体边坡设计、施工和工程的长期稳定性分析提供依据。     

龙门峡水电站岩体力学试验及参数取值

龙门峡水电站现已蓄水发电,坝基及坝肩主要岩体为白云质灰岩。在预可研阶段和可研阶段对其进行了一系列原位岩体力学试验,包括岩体变形试验、岩体直接试验、岩体与混凝土接触面直剪试验,试验应力与工程实际受力状态相同。全面系统地对3组岩体变形试验、1组岩体直剪试验和1组岩体/混凝土接触面直剪试验成果进行分析研究,充分揭示了坝基工程岩体变形、抗剪等力学特性。从试点的地质代表性、岩石的破坏形态等方面分析了岩体的变形特性、抗剪特性。提出了可供设计采用的工程岩石力学参数建议值。     

高面板堆石坝面板脱空问题的接触力学分析

0　引　　言 yh如何合理地模拟混凝土面板和堆石体这两种变形特性相差较大的材料间的接触特性 ,一直是面板堆石坝有限元应力变形计算中的难点问题之一。目前通常的做法是将混凝土面板和堆石体当作同一连续体的两个不同材料分区 ,在两者之间设置接触面单元 ,常用的代表性的接触面单元主要有Goodman无厚度接触面单元、Desai薄层单元及接触摩擦单元等。上述接触面模型侧重于描述不同材料界面上的力学特性尤其是切向的摩擦特性 ,将它们用于描述不同材料接触界面上的位移不连续现象尤其是发生大规模滑移和脱开的情况时常难以得到合理的计算结果。本文分别将混凝土面板和堆石体当作独立的可变形接触体 ,采用直接约束法和库仑摩     

重力型断裂面滑移的分形界面效应与动力学问题研究

提出断裂面上下盘靠重力作用而发生滑移－重力型断裂面滑移的分形界面效应与动力学行为。研究了实地地质断裂面的分形性质;构造了具有自仿射分形性质的重力型断裂面滑移模型;利用物理模拟和数值模拟方法研究了重力型断裂面滑移的分形界面效应,建立了断裂面上下盘滑距与断裂面分形维数的经验数量关系;研究了地质断裂面滑移的动力学行为,获得了断裂面滑移失稳的刚度准则。最后指出了该专题的研究方向。     

小湾拱坝坝体裂缝对拱坝受力和稳定的影响研究

 通过三维非线性有限元计算和地质力学模型试验方法,分析无缝和有缝处理2种工况下,裂缝对小湾拱坝坝体应力分布、整体稳定性的影响以及裂缝进一步扩展的可能性。计算结果表明,2种工况的坝体应力分布基本相同,裂缝对坝体应力的分布影响不大。正常荷载下,裂缝基本全部处于压剪状态,不存在或存在很小的拉应力;裂缝继续开裂扩展的可能性不大。在超载工况下,有缝处理工况下非线性荷载为(3.2～3.3)P0(P0为正常水荷载),与无缝工况下的3.5P0接近;超载3.0P0之后,大坝裂缝局部地方出现开裂区,但整体上直到5.0P0后裂缝才影响到开裂区。大坝极限开裂状态与无缝情况下类似,有缝处理和无缝情况的整体稳定性相差不大。     

复杂地基上高拱坝开裂与稳定研究

研究复杂地基上高拱坝坝面开裂与稳定的力学机制,这些机制涉及到大坝温度变化、大坝的基础弱化、渗流影响等.首先从分析大坝坝面裂纹细观开裂扩展的主轴本构力学机制、节理岩体的宏观开裂强度条件.然后提出大坝破坏的机构条件作为大坝整体稳定的判据.最后结合复杂地基的溪洛渡拱坝,运用提到的开裂与稳定模型,分析大坝在超载工况下,裂纹从细观裂纹扩展到宏观开裂,以至大坝失稳的全过程;分析建基面的点安全度随超载变化规律以及大坝的整体稳定.结果显示提到的分析方法有较好的应用价值.     

阶谱块体单元法在复杂岩基上重力坝变形与稳定分析中的应用

介绍了弹粘塑性阶谱块体单元法在某重力坝坝段的变形与稳定分析中的应用情况，并与模型试验结果进行对比分析，两者基本吻合。通过计算和试验，揭示了该重力坝坝段的位移、应力、应变和点安全系数分布规律，验证了弹粘塑性阶谱块体单元法的正确性和有效性。此外，还对重力坝坝内压力钢管道和厂坝接缝灌浆的模拟、以及大坝安全度的评价等实际问题作了初步探讨。     

基于位移反分析的小湾拱坝稳定性评价

小湾拱坝坝体裂缝在大坝分阶段实际蓄水后开裂扩展的可能性以及裂缝对坝体应力、位移和坝体稳定性的影响,对大坝安全至关重要。通过对小湾拱坝坝体施工过程及坝体内部温度裂缝的模拟,基于多点监测资料进行非线性位移反演分析,得到符合实际的材料力学参数,进而对坝体进行三维非线性仿真计算研究,以预测坝体在下一阶段蓄水以及最终蓄水后的稳定性。结果表明,该反演分析方法反演得到的参数合理准确,预计的位移结果可靠、精度较高,能很好地对拱坝安全性进行评价;仿真分析预测成果与坝体后期蓄水后的实际监测成果和地质力学模型试验成果吻合良好,在正常水载下,坝体整体变形符合拱坝变形一般规律,同时裂缝发生开裂扩展的可能性很小;裂缝对坝体整体影响不大,对局部有影响,大坝极限开裂状态与无缝坝类似,坝面开裂均是由表面产生裂缝向内部发展,而不是由内部裂缝引发。     

基于温度应力仿真分析的碾压混凝土重力坝诱导缝开裂研究

考虑彭水水电站碾压混凝土坝的实际碾压浇筑过程，采用混凝土钝裂缝带模型，在三维瞬态有限元温度应力仿真分析的基础上，对大坝诱导缝的开裂及裂缝扩展进行了跟踪计算。计算结果表明，坝体的上游面诱导缝缝端应力强度因子局部超过混凝土的断裂韧度而发生开裂，且诱导缝的开裂明显减小了坝段中部区域的拉应力。根据诱导缝的开裂分析结果，建议诱导缝的设置长度为4．5m。     

三维裂隙组扩展及贯通过程的试验研究

 采用一种透明性良好、在低温下呈脆性破裂特征的非饱和树脂材料,制作一些含三维裂隙组的试样(原生裂隙采用薄铝片进行模拟),研究单轴压缩条件下平行三维裂隙组的扩展与贯通过程。试验结果表明：试验早期阶段,各裂隙在端部均以包裹式翼裂纹起裂,并独立地扩展。随着各裂纹间相互作用的加强,会引起次生裂纹在预置裂隙端部附近反向扩展的现象,并形成一种新的断裂模式——包裹式反翼裂纹。最终,试样被包裹式翼裂纹与反翼裂纹主导的宏观破裂面所劈裂,并且裂纹在整个断裂过程中能够始终保持一种稳定的扩展。此外,裂隙组的分布方式将影响着三维裂纹的扩展参数,尤其是对裂纹初始扩展角的影响较大,使得包裹式翼裂纹的扩展角约偏转了10°。最后,讨论了三维裂隙组断裂的基本模式与断裂机制。     

初始裂隙几何要素对岩石裂隙分维演化的影响

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对特定应力条件下岩石裂隙演化过程进行数值模拟,根据获得的不同应力状态下裂隙扩展的图片研究初始裂隙长度、裂隙数量对岩石裂隙分形维数的影响,根据岩石裂隙分维-应力曲线将岩石裂隙扩展演化过程分为五个阶段,分析不同阶段裂隙分形维数随岩石内部应力的演化特征,揭示初始裂隙几何要素对岩石裂隙分形维数的影响规律。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。