恒定法向刚度边界条件下岩石节理剪胀特性数值模拟

恒定法向刚度边界条件下的节理剪胀特性对于深部地下工程岩体稳定性至关重要.利用UDEC软件,基于连续屈服微段节理模型,构建恒定法向刚度边界条件下岩石节理剪切离散元计算模型,探讨恒定法向刚度边界条件下岩石节理的剪胀效应.结果 表明:岩石节理剪胀段的剪胀位移呈负指数增长;岩石节理的最大剪胀位移与最大起伏高度呈正相关关系,与初...     

节理剪胀耦合的岩体渗透特性数值研究与经验公式

利用UDEC软件,建立岩石节理剪胀导致岩体渗透特性改变的离散元数值模型,探讨节理剪胀效应对岩体等效渗透系数的影响。数值研究表明,在节理法向闭合和节理剪胀两种机制的共同作用下,随偏应力系数的增加,岩体等效渗透系数遵循先减小后增加的变化规律。当偏应力系数较小时,节理法向闭合机制占主导因素,导致等效渗透系数随偏应力系数的增大而减小;当偏应力系数较大时,节理剪胀机制占主导因素,导致等效渗透系数呈数量级增加。在岩体等效渗透系数的流固耦合方程中必须体现节理剪胀因素。提出的裂隙岩体等效渗透系数经验公式考虑了节理法向闭合和节理剪胀对等效渗透系数的贡献,且物理意义明确;最后参考J.ZHANG的实验研究成果验证了经验公式的合理性。     

循环荷载条件下充填厚度对结构面剪切力学特性影响试验研究

利用相似材料制作砂岩剪切破坏结构面并进行循环剪切试验,研究无充填及3种不同充填石膏厚度条件下结构面的力学性质和三维形貌演化规律.试验结果表明:无充填结构面的峰值剪切强度最大,随着充填厚度的增加,结构面的峰值剪切强度先下降后上升,表明充填物的厚度对结构面的剪切强度有较大影响.结构面的法向变形量随充填厚度的增加而不断增大,其中无充填结构面和充填物厚度为1 mm的结构面剪胀现象明显,随着充填厚度的增加结构面剪缩现象逐渐显著.在循环剪切作用下,无充填结构面在初次循环中以啃断破坏为主,后4次循环剪切中以磨损破坏为主,充填1 mm的结构面主要为磨损破坏,但当充填厚度大于1 mm时结构面在循环剪切过程中还存在滑移破坏,说明充填厚度通过影响结构面的破坏模式来影响其力学性质.本文研究可为工程岩体稳定性分析提供参考.     

晋城无烟煤结构面剪切参数的试验测定与估算方法

为研究晋城无烟煤的煤体结构面剪切强度及相关参数,通过对取自寺河煤矿3号煤层的含结构面煤体试样进行不同法向应力下的直剪试验,并对结构面形貌进行三维摄影测量,得到了剪切强度的试验值及估算值。试验结果表明:在低法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13. 0～39. 2 GPa/cm,剪切刚度取值为3. 1～26. 6 GPa/cm,中等法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13. 8～62. 0 GPa/cm,剪切刚度取值为4. 3～18. 2 GPa/cm,煤体结构面黏聚力平均值0. 67 MPa,峰值摩擦角平均值37°,同时结构面法向刚度、剪切刚度、剪切强度都随法向应力增大而增大,实验结果可为数值模拟中参数的选取提供一定参考。对比估算剪切强度值与试验剪切强度值表明,运用JRC-JCS模型能较好的预测煤体结构面剪切强度。     

岩石粗糙节理剪切强度的分形分析

以分形维数定量描述岩石节理面粗糙性，通过剪切实验分析研究节理剪切强度、法向应力和节理面分维的相互关系，建立了能够体现节理粗糙性和节理剪胀效应的节理剪切强度表达式，提出了适用于粗糙节理岩体的库仑强度的修正公式，为更深入、更准确地研究岩石节理剪切强度和岩体结构稳定性提供了新的方法。     

不同起伏角锯齿状结构面剪切力学性质及其弱化行为试验研究

为研究含锯齿状结构面岩体的剪切力学性质及其弱化行为，采用自主研发的岩石压剪伺服试验系统，对含有不同起伏角锯齿结构面的类岩石试件开展了不同剪切位移的直剪试验。试验结果表明：当结构面锯齿起伏角为15°时，结构面的剪应力演化曲线呈“波浪形”,当起伏角为30°和45°时，剪应力演化曲线呈“峰值型”且45°起伏角结构面的剪应力演化有明显的双峰值现象，起伏角越大，峰值剪应力越大；当起伏角为15°时，结构面的弱化模式为爬坡磨损，起伏角为30°时，结构面弱化则以切齿-充填为主，而当起伏角为45°时，结构面在前期以切齿破坏为主，后期以滑动磨损为主；结构面的损伤系数R随着剪切位移的增加而逐渐增大，并且起伏角越大，R值越大，结构面的弱化程度越大，结构面在剪切位移为5 mm处的弱化率均在50%以上。研究成果可为工程岩体稳定性分析提供参考。     

锯齿结构面剪切数值模拟

为探讨锯齿结构面的力学特性,利用FLAC~(3D)建立岩体结构面的三维模型,分析结构面力学性质的影响因素.研究表明:剪切强度随起伏角的增大由线性关系演变到非线性关系,体现在结构面的破坏效应由爬坡效应逐渐演变成啃断效应,最后发展成复合破坏效应;低正应力条件下,强度较大的锯齿先受到破坏,而较高正应力条件下却不同,先受到破坏的则是强度较低的锯齿;随着加载速率的增大,峰值数目增多,峰值依次减小,且结构面残余剪应力逐渐降低.     

贯通型锯齿状岩体结构面剪切变形及强度特征

利用二维颗粒流(PFC2D)程序,模拟研究了起伏角及法向应力对贯通型锯齿状岩体结构面的剪切变形及强度影响规律。剪切变形模式可分为爬坡、爬坡啃断和啃断3种基本类型,随着锯齿起伏角和法向应力的增大,逐渐由爬坡、爬坡啃断向啃断模式演变,且这种递变随起伏角和法向应力具有近对称矩阵分布特征。爬坡变形时,结构面两侧存在少量的擦痕及伴生的羽状微裂纹,但锯齿整体损伤破裂轻微,剪应力-剪切位移曲线峰后呈现波动型塑性流动。爬坡啃断变形时,锯齿中上部被剪断,同时结构面两侧也伴生着少量的爬坡摩擦产生的羽状裂纹,剪应力-剪切位移曲线呈现较明显的非线性和波动特征。啃断变形时,锯齿基本沿其根部整体被剪断,结构面两侧间的摩擦滑动损伤不明显,剪应力峰后脆性跃落。随着起伏角及法向应力的增大,剪切破坏时所产生微裂纹、吸收及耗散能量逐渐增多。锯齿状岩体结构面的剪切强度随法向应力及起伏角的增大均近线性增加。建立了一个同时考虑锯齿状结构面爬坡和啃断效应的剪切强度经验公式,并通过边坡稳定性算例得以验证。     

CNL和CNS边界条件下砂岩宏细观剪切力学特性

岩体的剪切力学特性和变形破裂机制对围岩稳定性控制意义重大.本文首先通过恒定法向荷载(CNL)和恒定法向刚度(CNS)边界条件下砂岩的宏观剪切试验,揭示了初始法向应力对砂岩峰值剪切强度、法向应力、剪胀变形及声发射响应特征的影响;然后基于PFC2D颗粒流数值模拟研究了不同边界条件下砂岩剪切过程中细观裂纹扩展、颗粒位移场演化、变形破裂过程及剪切速率效应.结果表明:随着初始法向应力的增加,砂岩峰值剪切强度及残余剪切强度均线性增大,且与CNL相比,CNS边界条件下峰值剪切强度增加了46.57％～307.84％、黏聚力增加了85.09％而内摩擦角减小了10.38％;法向位移整体上经历了剪缩、快速剪胀和缓慢剪胀过程,且随着裂纹扩展贯通形成剪切滑移面,声发射活动异常激烈;不同边界条件下砂岩细观裂纹演化过程和破裂机制存在显著差异,剪切过程中裂纹总数呈现"平静-快速增加-增幅降低-趋于稳定"的变化特征,且与CNL相比,CNS边界条件下裂纹总数增加了19.66％～89.20％;随着剪切速率的增加,砂岩峰值剪切强度呈现指数型减小趋势,且CNS边界条件下剪切速率效应更加显著.     

基于沈珠江双屈服面模型理论的土体弹塑性模型

由于常用的邓肯E-μ、E-B模型的经验公式不能同时很好地反映粗粒土三轴剪切试验结果低围压剪胀、高围压剪缩变形特点,邓肯E-μ、E-B模型基于的广义虎克定律不能反映土体剪胀剪缩特性,所以笔者应用笔者发现的三轴剪切体变规律和沈珠江双屈服面模型理论相结合建立了基于沈珠江双屈服面模型理论的弹塑性模型,该模型能够很好地反映土体的剪胀剪缩特性,能够准确地拟合等围压剪切试验结果,能够很好地预测等应力比路径,等平均主应力路径,等大主应力,小主应力减小路径,小主应力和剪应力同等减小的应力路径的试验结果。     

随机形貌岩石节理剪切-渗流数值模拟和剪胀-渗流模型

采用Hurst指数的独立分割方法构造随机形貌岩石节理剖面,基于岩石节理的CY模型构建随机形貌岩石节理剪切-渗流计算模型和数值分析方法,为研究岩石节理的剪切-渗流响应提供了理论参考。采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨剪切作用下随机形貌岩石节理剪切-渗流响应。结果表明：节理粗糙度越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;剪切过程中的节理渗透系数呈平稳增长-快速增大-渗流稳定3阶段变化,在剪切最开始短暂时候,节理剪缩使渗流偏离立方渗流准则,节理渗透系数与法向应力具强耦合关系。引入剪胀等效节理水力隙宽,建立岩石节理的非线性剪胀-渗流模型,合理地描述了不同粗糙度节理剪切过程中的剪胀效应及其对节理渗透系数的贡献。     

考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。     

岩体结构面不同剪切方向的抗剪强度模拟试验研究

用混凝土模具模拟具有方向性的岩石节理面,并在剪切仪上沿不同方向进行剪切试验,测得一系列数据,通过回归分析,建立了节理面抗剪强度与剪切方向角之间的经验公式,总结出了具有方向性的岩石节理面抗剪强度随剪切方向角的变化规律。     

An investigation of the mechanics of rock joints—Part I. Laboratory investigation

In this paper, which is the first of a two-part series, a laboratory investigation of the mechanical behavior of initially closely mated joints in rock undergoing small sliding displacements is undertaken. The goal is to elucidate important features of joint behavior such as dilatancy, damage of surface roughness, cyclic sliding behavior and the dependence of these phenomena on stress level and sliding history. Testing was carried out in a specially designed and fabricated servo-controlled direct shear machine. Most tests employed artificial joint samples with saw-tooth shaped asperities molded of hydrostone which replicates soft natural rock. Use of molded samples allowed tests to be conducted on simulated joints which for our purposes, could be considered to be identical. Tests on natural joints in dolomite were also carried out. This testing program provided the guidance and data base necessary for the development of a quantitative theory and constitutive model for rock joint behavior, which is described in Part II.     

基于Lade-Duncan准则的巷道围岩抗力系数

基于Lade-Duncan屈服准则,合理考虑中主应力、剪胀特性以及塑性区真实弹性应变的综合影响,推导出巷道围岩抗力系数表达式。结果表明：与Mohr-Coulomb强度准则下的围岩抗力系数计算值对比,考虑中主应力影响的Lade-Duncan准则能充分发挥围岩的强度潜能,提高围岩抗力系数;剪胀特性对围岩抗力系数影响不可忽视,不考虑围岩剪胀特性,将高估巷道围岩抗力系数,设计偏危险;另外,假定塑性区的弹性应变为常数将高估围岩抗力系数,在围岩剪胀性较强时误差更明显,实际工程中应考虑围岩塑性区真实弹性应变。     

基于Drucker-Prager准则的深部巷道破裂围岩弹塑性分析

基于Drucker-Prager屈服准则和非关联流动法则,考虑中间主应力、塑性区弹性应变及岩体剪胀性的影响,推导了深部圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解析解。结合工程实例,对比分析了不同屈服准则和围岩参数对围岩状态变化的影响,研究结果表明：中间主应力对围岩破裂范围和表面位移均具有重要影响,且表现出明显的区间效应;剪胀角越大,扩容系数越大,围岩破裂范围与表面位移也就越大;围岩参数(残余黏聚力、残余内摩擦角、初始黏聚力)和支护阻力越大,围岩塑性区及破裂区范围均越小;D-P准则解分别与统一强度准则解、双剪强度准则解和M-C准则解相比,围岩破裂范围及表面位移均偏大,但与M-C准则解最为接近;在满足相同围岩变形条件下,D-P准则解所需支护阻力较其他3种准则解均较大,更偏向于刚性支护形式,分析结果可为巷道围岩稳定性评价与支护设计提供重要理论依据。     

Numerical simulation of influence of shear dilatancy on deformation characteristics of shear band-elastic body system

The paper was numerically focused on investigation of deformation, failure and instability of shear band-surrounding elastic reck system in plane strain direct shear test considering shear dilatancy according to fast lagrangian analysis of continua (FLAC). The adopted failure criterion was a composite Mohr-Coulomb criterion with tension cut-off and post-peak constitutive relation of rock, i.e. linear strain-softening. Numerical results show that dilation angle affects the responses of elements, the number and the position of yielded elements. Increasing dilation angle results in higher load-carrying capability of elements, higher deformation or strain corresponding to peak stress, less brittle post-peak stress-deformation curve. Strain-hardening behavior can occur if dilation angle is high.Therefore, shear band-elastic reck body system tends to be stable and rock burst does not occur as dilation angle is increased. Moreover, the number of yielded elements is increased with dilation angle increase and two‘ parallel plastic zones initially generated in the middle of two loading ends of specimen no longer remain collinear, reflecting increase in deformation resistant of the system. Evolution of volumetric strain rate was investigated based on three-dimensional curved surface diagrams. Approximately, volumetric strain rate concentration regions coincide with plastic zones. Volumetric strain rate in yielded elements is very evident. However, in elastic zones volumetric strain has not been nearly changed throughout the numerical tests.     

岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果,验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大,节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展,且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限,甚至可以忽略,但随着循环加载幅值的增加,节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多,表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加,且有增速的趋势,在循环加载次数增加到某个量级时,裂纹出现激增的现象,表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下,节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势,表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度,但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果,有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。     

基于结构表征单元体的岩体力学参数选取

针对基于数值试验岩体力学参数的选取开展研究。通过现场节理裂隙调查、统计分析得到岩体节理面分布模型;采用三维随机节理模拟技术构建基于统计分析的岩体表征单元体数值模型,并就此开展单轴压缩数值试验确定结构表征单元体;对表征单元体进行三轴压缩数值试验,确定岩体的抗剪强度参数。研究结果表明：研究角砾岩的表征单元体尺寸为2m×2m×2m,得到的岩体力学参数与基于Heok-Brown强度指标较为一致;块体采用摩尔-库伦本构模型、节理面采用库伦滑移本构模型能够较好地反映研究角砾岩体的力学特性;基于结构表征单元体的岩体力学参数选取方法是合理的。