断续节理岩体随机模型三维离散元数值模拟

针对断续节理岩体提出了一种随机计算模型。在该模型中，假设结构面的形状为正方形，通过岩体结构面的统计分布函数模拟结构面的空间随机分布。给出了随机节理模型的实现方法，对该随机模型的算法可靠性进行了验证。通过单向加载模拟试验研究了节理岩体破坏强度与节理倾角及节理连通率等因素的关系，并与极限平衡条件推导的理论结果进行了比较，分析了数值模拟结果与极限平衡理论结果的异同性，进而验证了节理随机计算模型的可靠性。同时，研究了节理连通率与岩体等效弹性模量之间的影响关系，给出了二者的影响关系式。     

节理岩体数值计算方法及其应用(一)：方法与讨论

叙述了工程岩体的典型破坏类型、发生条件和判断方法，简单介绍了针对节理岩体的数值计算方法发展过程、现状和特点，重点叙述了利用3DEC基本功能生成三维随机节理网络和节理力学参数的随机赋值方法。其中三维节理网络技术可以非常逼真地模拟现实条件下各种复杂形式的节理分布，甚至可以直接利用节理的地质编录资料在数值模型中生成确定位置上的确定性节理，在某种程度上一体化地实现了节理岩体的计算机模拟和数值计算，促进了不连续岩体、岩石计算方法在应用技术方面的发展。最后讨论了不连续力学数值计算技术的工程应用，指出了合理运用数值计算方法解决工程问题的一般原则。     

节理岩体两种模式的数值分析

采用节理单元和复合本构模型,对节理岩体进行有限元模拟,分析比较了两种模式的数值结果     

基于数值试验的节理岩体变形特性REV研究

 根据随机节理网络程序,得到多组随机节理岩体数值模型,通过数值试验获得多组随机节理岩体模型的应力–应变曲线。首先在试件尺寸及节理概率分布特征参数不变时,获得在一定围压下试件的应力应变曲线变化规律。然后考虑试件尺寸变化对岩体应力–应变曲线的影响。通过上述2类工况数值模拟结果进行分析发现,试件尺寸小时,变形曲线比较分散,随着尺寸的增大,曲线趋于一致,说明节理岩体变形曲线存在尺寸效应,岩体变形特性的特征尺寸可以由数值试验获得。     

随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。     

节理岩体等效模型及其数值计算和室内试验

分别使用Goodman节理单元模型和所推出的等效模型,对具有一组和二组节理的受力岩体进行了有限元计算。最后应用所推出的等效模型对一个在节理岩体中的洞室开挖进行了数值模拟,看到试验与计算结果大致符合,显示了所推出的等效模型是有效的。     

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。     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。     

节理岩体断裂损伤模型在三峡坝基岩体力学参数模拟和预测中的应用

基于节理岩体的断裂损伤模型，建立基于等效柔度张量及特定破坏准则等效体力学参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用于三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中，通过与节理刚度模型、包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中。通过与节理刚度模型，包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测中较为适用，为三峡工程的坝基岩体稳定分析提供了参考。     

断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究

基于细观统计损伤数值模型,通过改变包含单组节理岩体的节理倾角、节理台阶角、层距d和岩桥长度l_r,建立不同节理分布的断续节理岩体数值试样,展开系列数值试验,模拟了节理岩体的破坏过程,探讨了节理结构几何参数和应力水平对破坏模式以及岩体力学参数的影响规律。研究结果表明,断续节理岩体破坏模式共分为4种：沿节理面破坏、转动块体破坏、台阶状破坏和混合破坏。沿节理面破坏与台阶状破坏的岩体峰值强度高、破坏应变大,转动破坏的岩体峰值强度低、破坏应变小。随着节理倾角的增大,岩体力学行为表现出脆性破坏—渐进破坏—脆性破坏的循环过程。随着应力水平的增加,岩体破坏区域由中间向端部扩展,并且对于强度的提高有显著作用,但提高水平随围压增加而降低。节理台阶角对于=90°时的破坏形式影响较大,由台阶状破坏转变为转动块体破坏,层距d对阶梯状破坏模式影响较小,对转动破坏模式影响较大,岩桥长度l_r不影响破坏模式,但对面破坏与台阶状破坏模式的峰值强度、破坏应变影响较大。通过对比,模拟结果与物理试验规律一致,但数值模拟结果可以清晰获得节理岩体中应力场分布、裂纹起裂点与扩展方向、破坏图像等,有利于分析其内在破坏规律与机理。     

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。     

Damage mechanics and its application for the design of an underground theater

This paper presents a damage mechanics method for the evaluation of the elastic damage of jointed rock mass and its application in predicting damage distribution in the jointed rock mass in the excavation for an underground structure in the framework of continuum damage mechanics. The damage variable is a second-order damage tensor which is assumed to describe the damage effect of jointed rock mass. The elasticity tensor defined in the model is verified by employing laboratory cement mortar specimens with various cases of joint distribution. The same specimen is analyzed using the developed damage mechanics method as well as the normal FE method, which employs joint elements to simulate jointed cracks. In order to apply the developed damage elasticity theory to three-dimensional damage analysis in underground structure excavation, a three-dimensional grouted rockbolt element is introduced, which considers the resistance of the grout to the relative shear displacement between the bolt and the rock mass around it in the axial direction. Plastic behaviors of the steel bar and the grout of the grouted bolt are considered in the model by using various constitutive laws. Finally, an engineering example for damage analysis is presented, namely an underground theater assumed to be excavated in a geological environment of jointed rock.     

应力波在一维节理岩体中传播规律的 试验研究与数值模拟

 在测定撞击载荷形式的基础上,通过试验研究应力波在一维节理岩体中的传播规律。分析完整岩体中各质点的振动形式以及不同形式的撞击载荷下对质点振动的影响,在完整岩体中质点的振动形式很有规律,其振动频率单一,且与一维岩柱的长度有关;分析结构面附近质点的振动特征,试验结果表明结构面附近质点振动有增强现象;还分析结构面组数对应力波传播衰减规律的影响,随着结构面组数的增加,质点振动衰减便快,应力波随距离的衰减也很明显。在块体离散元的基础上,研究多尺度离散元模型,并用它来模拟应力波在节理岩体中的传播规律,取得较好的效果,说明块体离散元适合模拟岩体中应力波的传播衰减规律。     

基于颗粒流程序的仿真节理岩体模型及其应用

为实现采矿巷道周边节理网络的仿真模拟以及节理岩体中巷道的稳定性分析,构建了包含颗粒流块体模型、原生节理网络和次生节理网络的仿真节理岩体模型。针对岩体内部次生节理产状和面积不可准确测量的难题,提出了卸荷作用下次生节理产状和面积的计算方法:根据开挖前后应力张量变化计算卸荷方向,利用Fisher分布函数生成围绕在卸荷方向附近的随机节理产状;监测卸荷前后颗粒中储存能量的变化,计算节理面积和半径。通过布置测线方式获得巷道中原生节理密度和产状信息,利用Monte-Carlo方法实现对原生节理的重建;利用次生节理计算方法实现次生节理网络的建立,从而建立仿真节理网络以及仿真节理岩体模型。计算结果显示:无节理模型中顶板和底板先破坏,以张拉破坏为主;而在仿真节理岩体模型中节理部位最先破坏,原生节理以剪切破坏为主,次生节理以张拉破坏为主,在高应力作用下巷道周边基本全部破坏,需整体支护且重点在左右两帮。该计算方法可为节理岩体中巷道的稳定性计算提供参考及建议。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

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。     

节理岩体各向异性力学研究综述

对节理岩体各向异性力学研究的现状与进展进行了系统分析和阐述,分别探讨了节理本身的各项异性力学性质,岩石介质和节理综合(即整个节理岩体)的各向异性力学性质,并对节理岩体本构模型、各向异性力学参数和屈服准则研究进行了较为详细的描述和比较,以指导实践。     

Numerical modelling of block size effects and influence of joint properties in multiply jointed rock

Two-dimensional numerical experiments are conducted for investigating the effects of block size and joint properties on the behaviour of multiply jointed rock. The paper explains how the size of the individual blocks controls both the shear strength of the assembly (rock mass) and its deformational characteristics. A closely, jointed rock mass, in which block rotations occur, exhibits a lower stiffness but a higher strength than a rock mass with widely spaced joints. These numerical results are similar to those from reported physical model tests on jointed slabs of a rock model material. The paper shows how parametric studies on a single joint using the Barton-Bandis (BB) formulation are useful for providing information about the response of a jointed rock mass.     

节理岩体力学参数取值研究

本文提出了一种确定节理岩体力学参数的计算机模拟试验法。该法基于节理裂隙的野外勘探资料建立岩体的损伤断裂模型,可在计算机上模拟计算实际试验过程,获得应力-应变全过程曲线和岩体变形模量、抗剪强度参数的各自异性特征。文中具体研究了拉西瓦工程岩体参数的取值问题。     

Numerical modelling of block size effects and influence of joint properties in multiply jointed rock

Two-dimensional numerical experiments are conducted for investigating the effects of block size and joint properties on the behaviour of multiply jointed rock. The paper explains how the size of the individual blocks controls both the shear strength of the assembly (rock mass) and its deformational characteristics. A closely jointed rock mass, in which block rotations occur, exhibits a lower stiffness but a higher strength than a roch mass with widely spacedjoints. These numerical results are similar to those from reported physical model tests on jointed slabs of a rock model material. The paper shows how parametric studies on a single joint using the Barton-Bandis (BB) formulation are useful for providing information about the response of a jointed rock mass.