岩石剪胀角模型与验证

Mohr-Coulomb模型和基于Mohr-Coulomb的应变软化模型均通常假设剪胀角为恒定值,然而这种假设不能正确表达岩石在破坏变形过程中的非线性体积变化行为。根据7种岩石类型在不同围压条件下的体积应变测量数据,结合塑性力学理论,采用非线性拟合方法建立能同时考虑围压和塑性剪切应变影响的剪胀角模型。分析模型的响应并结合岩石内部颗粒尺寸以及单轴抗压强度,将该模型划分为4种岩石类型:粗粒径硬岩、中粒径硬岩、中–细粒径软岩和细粒径软岩。根据FLAC应变软化模型中非关联塑性流动法则的计算原理,推导剪胀角模型中的塑性剪切应变与应变软化模型中塑性参数的关系,将剪胀角模型嵌入应变软化模型中,构建剪胀角模型模块。最后,采用建立的剪胀角模型预测Moura煤岩在三轴压缩条件下的体积应变–轴向应变关系曲线。研究结果表明,数值模拟与试验结果具有很好的一致性。     

剪胀和破坏耦合的节理岩体本构模型的研究

 摘要：根据节理岩体切向加载作用下的变形机制,把微凸体在磨损破坏过程中引起的剪胀软化现象和伴随的强化现象分开考虑,提出一种新的本构模型。试验结果表明,在法向和切向载荷共同作用下,由于微凸体的爬坡和啃断作用,节理岩体均会发生一定程度的剪胀和磨损,累积到一定程度就产生软化现象,在此引入一个初始剪应力概念体现上述特征。另一方面,由于破碎颗粒的碾压和迁移作用,使得抗剪力学行为由微凸体粗糙度控制逐渐转变为由结构面上形成的紧密夹层的力学行为所控制,抗剪强度提高,在此通过弹塑性随动强化模型来体现这一变形行为。当随动强化模型与初始剪应力相结合时,即为节理岩体切向加载作用下的剪应力–切向位移本构关系。通过对各种已有试验曲线的对比分析,验证该模型的正确性。     

基于Barton剪胀模型的粗糙节理渗流分析

 为研究粗糙节理在剪切过程中的渗流规律,首先,采用Barton剪胀模型分析节理在剪切过程中的剪胀效应,计算节理在不同剪切位移下的剪胀位移,采用Brown-Scholz(B-S)理论模型分析法向应力作用下的节理闭合变形;通过初始隙宽、法向闭合变形和剪胀位移建立剪切过程中的节理隙宽与法向应力和剪切位移之间的关系,在此基础上得到剪切过程中的节理渗流计算公式;然后,在对节理试件进行渗流试验的基础上,分别采用基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式和Barton经验公式计算通过节理试件的理论渗流流量,并将预测结果与实测值进行比较,比较结果表明,基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式的预测结果与实测值较为一致,而Barton经验公式预测值与实测值偏差较大,从而验证了该公式在计算节理剪切过程中的渗流情况的正确性。     

人工模拟节理峰值剪胀模型及峰值抗剪强度分析

在5级法向应力作用下对具有相同形貌的人工模拟材料偶合节理进行直剪试验,探讨剪胀角、峰值剪切强度与法向应力、节理表面形貌的关系。采用常用的Barton剪胀模型、Schneider剪胀模型、Jing剪胀模型分析直剪试验实测的峰值剪胀角,结果表明模型计算值与试验实测值存在一定的偏差:Schneider剪胀模型与Jing剪胀模型在低法向应力下预测值过小、在高法向应力下预测值偏大,Barton剪胀模型与试验值相差较远。分析剪胀角存在的边界条件,以t n(/)为参量提出双曲线形式的峰值剪胀模型,进而提出新的峰值强度公式。将新的峰值强度公式,上述3种剪胀模型对应的强度公式及GG强度公式所得的峰值强度与试验数据进行对比分析,结果表明新强度公式预测值更接近试验值。     

岩石节理剪切过程中应力与渗流特性的数值模拟

 岩石节理剪切过程中应力与渗流特性受节理法向条件的影响很大。在岩石节理表面形状三维数值化表达的基础上,首先建立岩石节理剪切过程中力学与渗流的计算模型;接着,应用GIS技术,模拟分析不同法向条件(固定应力、固定刚度)下节理的剪切过程,获得节理剪切过程中应力与渗流特性的变化规律。结果表明,法向应力、裂隙张开度、渗透系数均随着剪切位移的增加而逐渐增加,整个剪切过程渗透系数增加了两个量级左右;而剪应力的变化却受法向条件的影响,剪应力在出现峰值后快速下降,而后固定应力条件下剪应力很快趋于一个稳定的值,而固定刚度条件下剪应力却又缓慢上升。     

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明：在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。     

节理剪切应力–位移本构模型及剪胀现象分析

 在法向与切向荷载的共同作用下,节理剪切应力–位移曲线宏观表现为峰前呈剪切硬化、峰后呈剪切软化现象：当微凸体爬坡效应占主导地位时,宏观表现为剪切硬化;当微凸体在剪切过程中磨损累积到一定程度时,宏观表现为剪切软化。剪胀硬化、磨损软化共同控制节理的剪切力学行为。在详细分析已有的剪切应力–位移本构模型的局限性的基础上,提出硬化–软化全剪切本构模型,采用单个函数反映节理剪切位移曲线的变化特征,其优点为：(1) 避免分段讨论剪切位移曲线特征、分段求取拟合参数的麻烦;(2) 在整个讨论区域内存在一个峰值且峰值处斜率为0;(3) 当剪切位移足够大时,强度趋于残余值,体现出节理面材料的力学特征。对不同类型的剪切位移曲线进行分析,该模型均表现出较强的适应性。同时分析现有的剪胀模型,其主要缺陷是不能反映初始剪缩现象与体现真正的剪胀起始点。在分析典型剪胀曲线基本特征的基础上,采用分段函数考虑剪胀特征,能较好地拟合剪胀曲线。     

节理剪切试验及其表面形貌特征变化分析

 节理表面形貌是影响节理抗剪强度的重要因素之一。采用试验方法研究岩石节理表面形貌与其抗剪强度之间的关系;运用RYL–600岩石剪切流变仪对天然岩石节理在不同法向应力下进行剪切试验,得到不同法向应力下节理的抗剪强度曲线,并运用TALYSURF CLI 2000扫描仪将节理表面在每次剪切前后进行高精度激光扫描测试,得到岩石节理表面的三维扫描图。分析节理在不同法向应力作用下的抗剪强度与节理表面形貌变化的关系,计算岩石节理表面轮廓平均角的加权平均值 ,发现随着法向应力的增加,节理峰值抗剪强度增加,随着剪切次数增加, 呈减小趋势。说明节理的抗剪强度与法向应力和节理表面形貌特征参数 有关。     

节理岩石剪切流变特性试验与模型研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站大型地下洞室群围岩中的无充填节理岩石进行了剪切流变试验,得到了节理岩石长期抗剪强度参数,与快速剪切试验获得的短期抗剪强度参数进行比较,发现长期抗剪强度参数有所降低,且粘聚力对时间敏感性高于内摩擦角。基于得到的剪切流变试验曲线,采用五元件粘弹性剪切流变模型对表现为粘弹性流变特性的试验曲线进行了辨识,获得了节理岩石的粘弹性剪切流变参数。然后将提出的非线性粘塑性体与五元件粘弹性剪切流变模型串联起来,建立了岩石七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型。采用节理岩石加速剪切流变全程曲线,对七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型进行了辨识,得到了非线性剪切流变模型材料参数,剪切流变模型与试验结果的比较,显示出了所建剪切流变模型的正确性与合理性。     

预制裂纹岩石压剪试验的数值模拟分析

采用岩石破裂过程分析软件RFPA^2D对预制裂隙大理岩试样的压剪试验进行数值模拟。数值分析表明，次生裂纹基本沿裂纹尖端萌生和扩展，所形成翼裂一股逐步趋向与荷载方向一致，这和试验结果是相吻合的。尽管某些数值分析结果和试验结果并不完全符合，但数值分析的模型和参数基本上有效地模拟了真实岩体介质的不均质性等力学特性。同时，采用该软件分析了加工小孔对裂尖应力状况的影响，加工小孔的存在对试验结果有一定影响，但并没有实质性影响。其影响主要在两方面：一是使翼裂起裂角变大，扩展路径变曲折；二是使材料更易于在裂尖引发二次(剪切)裂纹。最后，对锯齿形裂纹模型进行了初步的数值模拟。     

基于黏结颗粒模型某滑坡土石混合体直剪试验数值模拟

 介绍基于数字图像处理建立数值模型的基本过程,实现由现场数字照片直接生成土石混合体的颗粒流模型。以溪洛渡水电站坝址附近某滑坡土石混合体为例,基于实拍照片建立其细观数值模型,利用PFC2D程序分析碎石和土体数值模型中微观力学参数的反算问题,分别为滑坡体中的碎石和土体选定与其宏观力学特征相一致的微观力学参数,进行直剪试验的数值模拟,并与均质土体的模拟结果相比较。结果显示：利用双轴试验反算的土体微观参数运用于直剪试验获得的宏观力学参数与实际一致;一定含量的碎石使土石混合体的初始剪切刚度较均质土有所增大,达到峰值抗剪强度所需的剪切位移减少;假定土石界面的黏结强度为土体内部的1/10时,土石混合体的内摩擦角明显增大,而黏聚力则稍有减少;与均质土体直剪形成的破裂面相比,土石混合体模型中的裂隙部分集中于剪切面呈宽带状,部分存在碎石与土体分界面,基于此可定性探讨一定碎石含量的土石混合体抗剪性能优于均质土体的原因。     

岩体闭合节理摩擦滑动模拟与力学行为研究

基于边界单元法的不连续位移法,引进摩擦节理单元来模拟岩体节理,认为节理摩擦过程中其上下表面间作用的应力满足摩尔-库伦准则。在此基础上,研究了节理不同闭合和滑动状态对应力和位移的影响。研究发现,当节理张开时,节理的存在导致节理两端产生非常强烈的应力奇异性;当节理闭合且有切向滑动时,节理两端的应力奇异性明显降低。     

岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究 与数值分析

 基于几组具有自然岩石节理表面特征的试件在高性能直接剪切–渗流装置上进行不同荷载边界条件下的剪切–渗流试验。利用新开发的渗流可视化系统对其中一组试验进行可视化研究。考虑节理面上的接触领域的非透水性,用有限元法对节理中的渗流进行数值模拟。试验和数值模拟的结果揭示了节理剪切过程中接触领域中透水系数及流路的一些变化规律,以及节理表面粗糙度对剪胀效应和流路分布特征的重要影响。     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。     

粘土岩饱和-非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和-非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek—Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井，研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程，以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数（Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度）的敏感性。结果表明：水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著，尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

粘土岩饱和–非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和–非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果,将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek-Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程,以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数(Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度)的敏感性。结果表明:水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。