多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

节理岩体强度的分形统计分析

岩体中存在大量节理、裂隙，导致岩体力学性能弱化。基于岩体节理断裂扩展和剪切滑移2种失稳破坏机制，运用分形和统计断裂力学方法探讨了2种破坏方式下节理岩体的统计强度。结果表明，岩体强度与岩体中节理分布的分形维数密切相关，分形维数增大导致岩体强度非线性降低。     

含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制研究

节理弱面是造成岩体力学性能弱化的主要因素,而充填物质的非均质性将显著影响节理岩体的剪切力学特性。考虑压剪应力作用下贯通性节理充填物中沿节理方向裂隙对节理岩体断裂特性的影响,制取含不同长度初始裂隙的充填砂浆节理岩体试样,在单轴压缩作用下研究含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制及初始裂隙尺寸对节理岩体破裂模式和断裂能的影响规律。试验结果表明:(1)单轴压缩作用下,充填节理岩体的失稳过程分为断裂和摩擦两阶段,前者为节理内裂隙的起裂、扩展到贯通过程,峰值强度后承载力迅速降低,之后因宏观破裂面的压剪摩擦作用而出现强化现象,直至剪应力达到其抗剪强度而失稳破坏;(2)随着充填体内初始裂隙长度增大,试样峰值荷载线性减小,峰值脆性断裂特征更加明显;(3)无初始裂隙节理试样破裂过程中裂隙在节理内分布均匀,而含初始裂隙试样断裂从裂隙尖端开始,向充填体和花岗岩块体黏接面扩展贯通,充填体内裂隙集中而密度较低;(4)采用节理韧带体积Vjc改进断裂能计算公式,计算充填节理岩体压剪断裂能Gf-V;基于充填节理的断裂机制,提出局部断裂能gf-V沿韧带双线性分布的前边界效应模型,解释了平均断裂能Gf-V随初始裂隙长度增大而减小的原因,试验结果验证了模型的正确性。     

节理岩体损伤断裂时效机理及其工程应用

节理岩体作为岩体力学的研究热点，受到国内外许多学者的高度重视，人们在节理岩体的本构关系、破坏机理、强度理论等方面做了大量工作，但由于岩体中节理、裂隙分布的随机性及其力学特性的复杂性，一般很难正确评价含有节理、裂隙演化、扩展及贯通过程的岩体的强度特性。论文通过模型试验、理论分析和数值计算方法系统地研究了断续节理岩体的蠕变损伤断裂机理，主要研究成果如下：（1）通过相似材料模型试验的方法研究了含雁行裂纹脆性材料在单轴和双轴压缩条件下的扩展和断裂机制。从实验结果看，顺向排列雁行裂纹具有张拉型、剪切型和拉剪复合型三种贯通机制。然后从宏观概化的等价力学模型的角度，研究了断续节理面和岩桥的共同作用原理，建立起岩桥在不同贯通模式下，其起裂、扩展和贯通的强度计算方法。（2）通过Schwarz交替解法给出任意两裂纹间相互作用影响因子的计算方法，在此基础上，建立了分支裂纹的扩展模型和分支裂纹长度的计算方法。（3）在考虑裂纹蠕变相互作用的基础上，提出了节理、裂隙在压剪应力场中蠕变断裂和分支裂纹生长的等效模型。（4）综合应用断裂力学、损伤力学、非局部场及流变学理论，从损伤引起裂纹扩展和裂纹扩展又进一步引起损伤演化和累积的角度，建立了岩体非弹性变     

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.     

裂隙岩体损伤演化本构模型的实现及应用

裂隙岩体在裂隙起裂、扩展损伤至失稳破坏过程中,同时存在损伤和断裂两种缺陷的累积和发展,且断裂又会造成损伤的进一步累积,岩体的断裂与损伤密切相关。将裂隙岩体视为含损伤连续介质,通过综合考虑压剪应力状态和拉剪应力状态下裂纹起裂、扩展损伤演化,用初始损伤张量和裂纹扩展附加损伤张量描述裂隙岩体的损伤演化过程,将压剪应力状态和拉剪应力状态下裂纹的初始损伤张量以及裂纹起裂扩展后附加损伤张量引入到自定义本构模型中,用VC++开发了可模拟裂纹在各种应力状态下起裂、扩展损伤演化的自定义本构模型动态链接库(DLL),该模型中用体积模量和剪切模量的损伤度来表示损伤。用该自定义本构模型对一隧道稳定性进行了分析。经分析发现:隧道围岩的断裂损伤范围比屈服破坏的范围大一倍左右;不考虑损伤的隧道围岩的最大位移量为0.05 m,考虑损伤的隧道围岩的最大位移量在达到0.1 m,断裂损伤区岩体的体积模量和剪切模量也有较大程度的降低。该自定义本构模型可以用来模拟裂隙岩体的损伤演化过程,模拟的结果能够为工程实践提供合理建议。     

节理岩体脆弹性断裂损伤模型及其工程应用

根据Ｂｅｔｔｉ能量互易定理并考虑节理裂纹扩展过程中的能量转换和节理裂纹扩展过程中的相互作用建立了裂隙岩体的损伤演化方程和三维脆弹性断裂损伤本构模型,并将该本构模型应用于三峡船闸高边坡,进行了边坡裂隙岩体开挖卸荷稳定三维非线性有限元计算,获得了比较理想的结果。     

压应力作用下裂隙岩体的断裂模式与强度特性

分析和研究了在压应力作用下岩体裂纹的断裂破坏模式.在单轴或低围压情况下,岩体滑移裂纹为翼形张拉裂纹断裂扩展,并表现出一种稳定扩展状态,裂隙岩体破坏强度值则需要通过多裂纹排列的相互作用断裂模型来分析和确定,围压对翼形张拉裂纹的产生和扩展起着非常敏感的抑制作用.随着围压的增加,裂隙岩体的张拉断裂脆性破坏形式将向延性剪切破坏模式转化,裂隙岩体破坏强度值与裂纹剪切失稳断裂相对应.     

考虑断裂韧度劣化的非贯通节理岩体损伤模型研究

岩石断裂韧度参数对节理尖端裂纹的起裂扩展及止裂都至关重要。文中综合考虑节理岩体宏细观损伤，构建节理岩体损伤模型，从理论上分析断裂韧度与抗拉强度之间的相互影响，得到断裂韧度细观演化方程，对节理岩体损伤模型进行修正。通过岩体相似材料模型试验，得到模型计算结果与试验结果吻合较好，证明了模型的合理性。     

基于FLAC3D的节理岩体采动损伤本构模型的 开发及应用

矿山开采沉陷是具有各种裂隙的岩体在采动应力作用下所发生的再变形和再破坏过程,裂隙随着开采的推进不断扩展.如果把矿山岩体原始裂隙看作是初始损伤,则可将随井工开采推进形成的裂隙扩展看作是损伤的演化.根据几何损伤理论中的裂隙张量和FLAC3D莫尔-库仑模型的塑性流动格式建立考虑初始损伤的节理岩体弹塑性本构模型的数值格式,在VC 开发环境中编写这种本构模型,供FLAC3D调用.通过一个单轴压缩数值试验对比,验证该模型应用于节理岩体的合理性.结合采矿工程实际,考虑初始损伤的演化,建立节理岩体采动损伤本构模型,对安家岭露天矿南端帮边坡下的井工开采进行数值模拟,得出露天煤矿台阶状边坡地表不同于平地地表的移动变形规律:台阶处的地表移动范围比平地处大;各级台阶处的变形比较集中.井工开采对上覆边坡岩体造成较大的扰动,不利于边坡的稳定:坡体地表出现安全度小于1的区域,坡体台阶受拉处安全度最小.模拟结果可为露井联采条件下井工开采设计和维护边坡稳定提供合理建议.     

应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。     

Experimental and numerical analyses of an opening in a jointed rock mass under biaxial compression

Tunnel construction in a rock mass produces damage around the tunnel by concentration of in situ stress and by construction activity such as blasting. The generated damage changes the mechanical and hydraulic properties of the rock mass. In this study, the rock fracture and joint sliding behaviors of jointed rock masses with an opening under biaxial compression are investigated through experimental and numerical analyses. The tested rock models have a persistent joint set with dip angles of 30°, 45°, and 60° to the horizontal. Under the applied biaxial compression, tensile crack initiation and propagation are the dominant fracture behaviors around the hole in a low joint dip angle rock model (i.e., 30° to the horizontal). The propagation direction of the tensile cracks is roughly normal to the joint surface, and with propagation of tensile cracks, removable rock blocks are generated. The experimental results are simulated using a discrete element code. The numerical analysis simulates several aspects of rock mass cracking and the joint sliding processes around an opening: progressive fracture behaviors in a low joint angle rock model, abrupt initiation and propagation of tensile cracks and joint sliding in a high joint angle rock model (i.e., 60° to the horizontal), propagation of tensile cracks normal to the joint surface, generation of removable blocks in rock segments, an increase of lower hoop stress threshold inducing tensile fractures with a decrease in the joint angle, and an increase of the damage zone around the hole with a decrease in the joint angle.     

加锚节理岩体的损伤增韧止裂模型研究

本文针对加锚节理岩体特点，采用等效抹平的处理方法，从损伤加筋体的自一致理论出发，推求加锚节理岩体的等效柔度张量和损伤张量，并运用脆性类材料的损伤增韧止裂理论，依据加锚节理裂纹的断裂扩展过程建立损伤演化方程，给出了此类加锚岩体的本构关系。     

Numerical study of shear behavior of intermittent rock joints with different geometrical parameters

The purpose of this paper is to investigate shear behavior of rock specimens containing several intermittent joints with different geometrical parameters. Through three series of direct shear tests based on rock failure process analysis (RFPA^2D) code, the whole shear failure process is visually observed and the failure patterns in reasonable accordance with other experimental results are obtained. In general, the failure pattern is mostly influenced by the geometrical parameters of rock joints while shear strength is closely related to the failure pattern and its failure mechanism. It is observed that the propagation of wing cracks depends on the joint separation and the joint azimuth angle, and the connection of wing cracks dominates the eventual failure pattern and determines the peak shear load of the rock specimens. The results also show that macro shear fracture is due to the mesoscopic tensile damage of a large number of elements. This numerical study has made a more reasonable theoretical explanation for the shear mechanism of jointed rock due to the inner damages that are difficult to observe in an experimental testing.     

温度饱和水下的裂隙岩体力学特性研究*

在理论上，利用O‘Connell的饱和水裂隙岩体等效弹性模量与岩石模量的关系式，并由式中的裂隙密度概念意义，建立了温度作用下的裂隙密度与Oda提出的裂隙张量之间的关系式；在试验的基础上，给出了温度、饱和水下的单裂隙岩体应力－应变、抗压强度回归拟合关系表达式。并通过试验与拟合结果对以加以验证，其裂隙岩体力学模型可为裂隙岩体THM耦合分析提供合理的依据。     

应用单元劈裂法模拟三维内嵌裂纹扩展

 对于岩石内嵌裂纹很难通过物理试验进行研究,在应用有限单元法模拟内嵌裂纹扩展时,三维节理面建模、网格划分以及节理扩展后的网格处理一直是难点问题。为简单、高效地分析含有内嵌型不连续面的节理岩体的破坏模式,利用三维单元劈裂法来解决这一问题。单元劈裂法是利用四面体单元的几何性质来构造的一种特殊的四结点节理单元。当有裂纹穿过四面体单元时,位于裂纹两侧的结点可形成3或4个接触点对,由此推导出劈裂单元的刚度矩阵。采用该方法模拟内嵌裂纹扩展时,可以不用考虑节理岩体的几何完整性,而直接对整个岩体进行网格划分。因而一些单元则被内嵌裂纹相切,对于与裂纹相切的单元采用劈裂单元刚度矩阵,而其余单元则采用常规单元刚度矩阵。由此免去了单独设置三维节理单元的麻烦以及为设置节理单元而不断改变网格划分方案的麻烦。这种优势在裂纹数目较多时尤为突出,非常适合节理岩体计算。通过对内嵌椭圆裂纹扩展模拟并与相关物理试验做对比,得出该方法能够再现三维内嵌裂纹扩展的基本特征,说明该方法是有效的。     

单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验

精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单币状裂隙,进行加载过程中的CT实时扫描试验。通过分析CT扫描图像,初步判定试件的破坏是由裂隙的损伤演化造成的。采用多种区域划分的方法,通过CT数及CT方差的对比分析,获得随载荷的不断增加裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹汇合贯通以及裂纹加速扩展、试件崩裂的损伤演化过程;同时,也得到初裂强度、翼裂纹扩展长度和自相似扩展长度等一些重要参数;将试件破坏前的应力、应变过程曲线分为4段,说明预置裂隙的损伤演化过程。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

多裂隙岩体的损伤断裂分析及工程应用

本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于多裂隙岩体特性的等效连续模型。综合运用损伤力学和断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等;建立了损伤演化方程和多裂隙岩体的本构关系。利用所建立的模型,对一座水电站地下厂房的分步开挖进行了数值模拟。     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。