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。     

多组贯穿节理岩体正交各向异性变形参数研究

目前对于节理岩体各向异性变形参数的解析方法研究不多。假设岩块为各向同性线弹性体,结构面的应力与位移之间满足线性刚度关系,建立多组贯穿节理岩体的正交各向异性变形参数计算模型,相关计算公式简单实用。进一步的研究结果表明：对于贯穿节理岩体,其体积变形具有正交各向异性变形特性,而剪切变形并不具有明显的正交各向异性。最后通过3DEC数值验证与辅助研究,相关数值成果与理论计算相差较小,说明该理论模型对于岩体各向异性变形与稳定性评价有一定的参考价值。     

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。     

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。     

节理岩体的等效连续模型与工程应用

本文将工程范围的规则节理岩体看作是由各向同性的岩石单元与等效各向异性的节理岩石单元构成的统一体,在深入分析节理岩石单元的变形与强度特性的基础上,详细推导了等效变形与等效强度的基本公式,提出了一种等效连续模型。通过非线性有限元数值分析,完成了节理岩体力学特性的模拟。利用前人的物理模型试验验证了该模型的有效性。上述数值模型运用于某一典型的工程节理岩体的强度预测,其结果是令人满意的。     

等效岩体技术在岩体工程中的应用

 以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明：(1) 等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2) 随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3) 等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4) 等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。     

节理岩体热应力问题的非连续变形分析方法

 结合非连续变形分析方法, 提出了一种研究节理岩体热应力问题的等效初应力方法。该方法将温度变化对岩体的力学影响转化为等效初应力的作用来求解节理岩体热应力问题, 给出了平面应力和平面应变问题中等效初应力和等效载荷矩阵的计算公式。算例表明该方法是有效的。     

节理岩体物理模拟与超声波试验研究

以三维各向异性介质弹性波方程为理论基础，给出具有不同节理面岩体的数学物理模型，将具有典型节理构造的岩体分别简化为横向各向同性和单斜各向异性介质，并得出各向异性介质中的弹性波在遇节理面发生反射、透射后沿不同传播方向的传播速度。根据上述数学物理模型制备节理岩体物理模型，相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试，试验证明，超声波波速对于物理模型中节理面的影响十分敏感，节理面的存在使弹性波传播速度重新分布，在合理布置测点的情况下，对节理面的存在及方向识别较为准确。在实际工程中，通过合理布置测点的超声波测试，可以对工程岩体中节理裂隙发育的优势方向进行判断，有效地反映岩体结构面的各向异性，为实际工程提供数据资料。     

用弹性波速计算正交各向异性岩体的裂隙张量

初步尝试了运用弹性波速确定岩体的裂隙张量；首先将岩体视为正交各向异性介质，基于裂隙岩体的应变体积平均，从裂隙引起的间断位移出发，导出裂隙张量与由裂隙引起的柔度张量增量之间的关系；然后根据正交各向异性岩体的波动理论，建立了岩体裂隙张量、等效弹性参数和弹性波速三者之间的相关关系。根据这些关系，给出了二阶、四阶裂隙张量的弹性波速计算过程。含裂缝水泥砂浆试件的试验结果表明，采用本文计算方法获得的裂隙张量基本能反映出裂隙的分布情况。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明:①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力–应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

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。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

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。     

基于Cosserat理论的柱状节理岩体本构模型

柱状节理岩体复杂的各向异性对相关工程设计及施工提出了挑战,准确掌握其各向异性力学参数对降低工程风险十分重要。基于Cosserat理论和Goodman当量叠加原理,首先建立了四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体二维本构模型。通过引入应力集中系数,将本构关系扩展至三维空间。针对白鹤滩水电站柱状节理岩体,采用3种模型分别计算了工程常数取值,并分析了3种模型计算结果与工程经验取值差异,比较了3种模型各向异性特征。结果表明,3种模型计算值与经验公式估算结果及现场原位承压板试验结果相近,四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体模型的弹性参数变化曲线分别反映出各模型正交各向异性、准横观各向同性、横观各向同性的各向异性特征。     

不规则柱状节理岩体常规三轴压缩力学各向异性试验研究

利用3D打印技术制备绿蜡不规则柱状节理网络模型，以白水泥浆作为类岩石模型材料，一次浇筑成型制备具有7种不同倾角的模拟不规则柱状节理岩体试件，通过对其进行常规三轴压缩试验，得到不规则柱状节理岩体强度和变形各向异性规律及其典型破坏模式。试验结果表明：不规则柱状节理岩体偏差应力峰值强度、变形模量和侧向应变比呈现中等～高各向异性，且围压对其各向异性显著程度影响较大；不规则柱状节理岩体典型破坏模式包括沿柱状节理面发生的“Y”型共轭剪切破坏、部分通过柱体，部分通过柱状节理面的劈裂破坏、沿柱状节理面的剪切滑移破坏和沿柱体的压裂破坏四种。在此基础上分析了3D打印绿蜡不规则柱状节理网络对不规则柱状节理岩体力学各向异性的影响。     

节理岩体的弹性模型

本文认为受多向节理切割的岩体是一种近似各向异性的、连续的弹性介质,探讨了成层(单向)、双向和多向节理岩体弹性关系的表示,这种表示基于节理材料和完整岩体的弹性常数及节理的产状参数。     

金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩 岩体变形特性研究

 金沙江白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩与一般柱状节理玄武岩相比,特点明显,其柱状节理起伏、不规则,柱体断面不规则且切割不完全,柱体内微裂隙发育,岩体内缓倾角构造结构面也较发育,岩体完整性较差,但呈断续镶嵌结构。在柱状节理玄武岩工程地质调查、岩体弹性波测试、多种现场岩体变形试验等工作基础上,系统分析了白鹤滩柱状节理玄武岩的基本力学特性和不同试验加载条件下的岩体变形机制。白鹤滩柱状节理玄武岩中发育的柱状节理、微裂隙及缓倾角结构面是导致岩体变形模量较低的主要因素;柱状节理玄武岩水平向变形模量明显大于铅直向变形模量,是由结构面发育特征和岩体应力状态决定的;新鲜柱状节理玄武岩中的柱状节理和微裂隙为硬性结构面,围压状态下呈闭合状,解除围压后易张开、松弛,保持围岩状态下柱状节理玄武岩仍具有较高的变形模量。