裂隙岩体宏观力学参数研究

 裂隙岩体的变形模量及强度特性是工程界关注的焦点,其关键是岩体变形模量及强度的尺寸效应和表征单元尺寸(REV)。根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面力学特性试验成果,确定岩块和结构面的本构模型,建立考虑无厚度裂隙面力学响应的分析模型。研究不同尺寸、不同统计窗裂隙岩体的力学响应特征,并重点研究裂隙岩体变形模量和单轴抗压强度的尺寸效应、REV特征以及各向异性特征。该研究方法为裂隙岩体的宏观力学参数取值提供参考,研究成果也为锦屏二级水电站工程岩体参数取值提供了依据。     

节理岩体正交各向异性等效强度参数研究

将节理裂隙视为岩体的损伤,利用岩体裂隙网络模拟技术、损伤力学和节理张量理论对等效抗剪强度参数(即黏聚力和摩擦系数)进行了研究。在岩体损伤力学研究成果的基础上,研究了包含多组节理裂隙的岩体在空间任意截面上损伤变量的近似计算方法;以损伤变量作为加权系数,将岩块和结构面抗剪强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数;根据岩体在各空间截面上的等效抗剪强度参数计算成果,将岩体抗剪强度参数等效为正交各向异性变化的抗剪强度参数;编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果和计算程序的正确性。     

露天矿边坡岩体稳定性各向异性分析方法及工程应用

露天矿边坡岩体通常含有大量IV、V级结构面,影响岩体稳定性。针对这种岩体特性,提出了系统的工程分析方法：首先,应用3GSM非接触测量系统对岩体出露结构面现场测试,统计结构面几何参数概率模型;进一步根据Monte Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论,在分析REV尺寸效应基础上,计算岩体渗透张量和弹性张量,实现岩体参数表征;最后,基于等效连续介质模型,建立各向异性岩体渗流应力耦合模型,采用COMSOL有限元软件分析边坡岩体稳定性。应用该方法对抚顺西露天矿南帮进行了实例分析,计算结果与实际吻合较好。提出的露天矿边坡岩体稳定性分析方法能够考虑节理分布导致的岩体各向异性特征,简单合理,具有良好的工程应用前景。     

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。     

节理岩体表征单元体尺寸确定的数值模拟

从节理岩体表征单元体的力学意义出发,在通过对某物理试验结果进行模拟以验证RFPA程序模拟节理岩体强度及破裂模式具有适用性的基础上,提出一种基于RFPA数值模拟确定节理岩体表征单元体的方法。该方法基于蒙特卡洛法生成二维节理裂隙网格,实现节理裂隙的表征,将其导入岩石破裂过程分析软件中,分析节理岩体弹性模量和单轴抗压、抗拉强度的尺寸效应和各向异性,并据此确定了节理岩体的表征单元体尺寸。最后,针对某采场围岩节理面统计参数,分析讨论节理岩体的尺寸效应和各向异性,通过综合分析确定了节理岩体的弹性模量、抗压强度和抗拉强度等参数,并得出其表征单元体的尺度为6 m×6 m,这为后续的岩石力学研究奠定基础。     

裂隙岩体的损伤断裂理论与应用

本文将损伤力学和断裂力学结合起来,分析岩体中裂隙系统的损伤和断裂特性。定义了岩体宏观损伤张量和岩体损伤应变。建立了岩体的等效连续损伤断裂本构模型。讨论了在压应力作用下的裂隙闭合效应。提出了裂隙岩体损伤断裂复合强度理论。利用损伤断裂模型对一地下洞室的分步开挖进行了数值模拟分析,获得了与现场实测数据比较吻合的结果。     

裂隙岩体表征单元体的确定及工程应用

以某水电站为工程背景,介绍了两种确定裂隙岩体REV的新方法:数字图像处理法和非连续变形DDARF法。依据水电站岩性差异、风化及卸荷程度,将围岩划分为若干工程地质区段并建立随机裂隙网络模型,研究尺寸效应对岩体力学参数的影响规律,获得了REV表征尺寸和等效力学参数;得到岩体的非线性强度准则,嵌入FLAC^3D对水电站开挖进行模拟,并监测关键点位移。结果表明:水电站围岩的抗压强度与围压成正相关;洞室开挖对厂房上下游中部和拐角处影响较大,应加强对这些部位的支护;关键点的位移数值结果与现场监测值基本吻合,误差小于5%。数字图像处理法和DDARF法为裂隙岩体REV的确定开拓了新思路,对复杂条件下地下洞室围岩的稳定性分析有广泛的应用前景。     

节理岩体的损伤模型及非线性有限元分析

本文简要介绍了损伤力学的发展.将损伤力学理论应用于节理岩体中,采用一个对称的二阶张量描述岩体内节理、裂隙引起的各向异性损伤.根据岩体内裂隙的概率统计模型,提出了一种计算节理岩体初始损伤张量的方法.在岩体的强度预测中,采用损伤力学和裂隙模拟两种分析方法,根据某工程的裂隙实测资料计算了岩体的初始损伤张量,建立了裂隙的概率统计模型,采用Monte-Carlo法模拟裂隙的分布,然后用平面非线性有限元计算预测岩体强度.两种分析结果进行对比,得到了较好的结论.     

断续节理岩体渐进破坏数值模拟方法及等效力学参数的测定

工程岩体分级标准一般不考虑工程岩体的本构关系,仅提供黏聚力和内摩擦角,岩石的力学参数及现场小尺度的试验结果也不能直接用于工程计算。针对这一问题,利用岩石及结构面的实测参数建立含随机裂隙的岩体数值模型,模拟裂隙岩体渐进破坏过程,并获取岩体等效力学参数的数值模拟方法。计算结果证实,考虑地应力及卸荷条件下,计算获得的岩体强度参数较基于工程岩体分类体系的经验值高30%~50%,各风化、卸荷区结论一致,数值模拟获得的岩体卸载变形模量与工程实测值反演获得的变形模量一致。采用数值模拟方法获取岩体破坏模式、本构关系及相应的强度、变形参数是可行的。     

低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。     

裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和-非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响.因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的--DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例.计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大.仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践.     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

Anisotropy of strength and deformability of fractured rocks

Anisotropy of the strength and deformation behaviors of fractured rock masses is a crucial issue for design and stability assessments of rock engineering structures, due mainly to the non-uniform and non- regular geometries of the fracture systems. However, no adequate efforts have been made to study this issue due to the current practical impossibility of laboratory tests with samples of large volumes con- taining many fractures, and the difficulty for controlling reliable initial and boundary conditions for large-scale in situ tests. Therefore, a reliable numerical predicting approach for evaluating anisotropy of fractured rock masses is needed. The objective of this study is to systematically investigate anisotropy of strength and deformability of fractured rocks, which has not been conducted in the past, using a nu- merical modeling method. A series of realistic two-dimensional （2D） discrete fracture network （DFN） models were established based on site investigation data, which were then loaded in different directions, using the code UDEC of discrete element method （DEM）, with changing confining pressures. Numerical results show that strength envelopes and elastic deformability parameters of tested numerical models are significantly anisotropic, and vary with changing axial loading and confining pressures. The results indicate that for design and safety assessments of rock engineering projects, the directional variations of strength and deformability of the fractured rock mass concerned must be treated properly with respect to the directions of in situ stresses. Traditional practice for simply positioning axial orientation of tunnels in association with principal stress directions only may not be adequate for safety requirements. Outstanding issues of the present study and su~zestions for future study are also oresented.     

Anisotropic characteristics of jointed rock mass: A case study at Shirengou iron ore mine in China

Rock mass is characterized by the existence of distributed joints whose properties and geometry strongly affect the mechanical behavior of jointed rock masses. A finite element model considering the anisotropic characteristics of fractured rock mass was proposed which could deal with a wide variety of joint distribution in rock mass and then applied in Shirengou iron ore mine in Tangshan, China. First, the scale effects and anisotropy were investigated by using multi-scale discrete fracture network models under uniaxial compression tests. Then, the principal direction of elasticity was found and used in the constitutive law of the equivalent continuum model. Finally, the deformation and failure behavior were studied and verified through site-specific microseismic data. It is found that the stress and damage zone are influenced by joint orientation. This proposed model can efficiently study the effects of rock joints on rock mass behavior and thus contribute to a more reasonable explanation on the dominant effect of the joint sets on deformation and failure of rock mass.     

深部巷道破裂围岩强度衰减规律试验研究

 为研究深部巷道破裂围岩强度衰减规律,设计模拟巷道破裂区应力演化规律的应力路径,采用MTS815岩石力学伺服试验机对完整的砂质泥岩试样进行加卸载试验,得到不同损伤程度的初始损伤岩样;通过单试件法对初始损伤岩样在不同围压下的三轴强度特性进行试验研究。采用卸载点的应力减低比D?、体积膨胀比DV作为损伤变量,分别建立损伤岩样峰值强度及强度参数与二者的函数关系,研究成果表明,初始损伤岩样的峰值强度、黏聚力与内摩擦角随损伤程度的增大大幅减小,且呈指数衰减规律。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。