层状岩体开挖的空间弹性偶应力理论分析

考虑了层状岩体的弯曲效应 ,采用空间弹性偶应力理论对层状 (节理 )岩体开挖试验进行模拟 ,并与试验结果进行了对比分析     

偶应力理论的层状岩体洞室数值模拟

传统的等效连续介质理论忽略了梯度应力的影响,未能很好地解释岩体工程中出现的弯曲变形及破坏现象。而引进偶应力及弯曲曲率的Cosserat介质理论考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。首先对基于平面应变问题的Cosserat介质理论以及扩展模型的弹性本构方程进行介绍,再利用快速拉格朗日法FLAC软件对地下洞室工程数值模拟,并将Cosserat法与增设节理单元法进行结果对比。模拟结果不仅能较好地显示层状岩体的弯曲变形,也证明了Cosserat介质扩展模型的有效性和优越性。     

偶应力对裂纹扩展的影响及其尺度效应

 与经典弹性理论相比,偶应力理论中考虑了微观结构的旋转梯度(即弯曲曲率),可以展示变形的弯曲效应。把无网格方法和偶应力理论结合在一起,给出偶应力理论的无网格离散模型。采用最大周向拉应力裂纹扩展准则,研究受拉情况下I型平面裂纹问题,确定该方法的基本参数,解决算法实施的关键技术。在此基础上,研究在不同微观尺度下受压岩体中裂纹初始破裂问题,进而对在某一给定微观尺度下受压岩体中裂纹扩展路径进行数值模拟跟踪。结果表明,偶应力对I型平面裂纹破裂没有影响,对复杂裂纹的弯折扩展有显著的影响,复杂裂纹的扩展角度、扩展步长、扩展载荷和扩展路径表现出显著的尺度效应。     

似层状结构岩体变形参数的软弱层带厚度效应

通过对赋存于似层状结构玄岩岩体中随机发育缓倾角软弱结构面的发育特征，即厚度，密度或间距的统计分析，获得了基本岩体变形模量考虑软弱结构面厚度效应的弱化参数，并通过“厚度加权”和“变形等效”法得到了水平方向和垂直方向的变形模量值。     

层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟

由于层状复合岩体软硬相间，不满足均匀、连续和各向同性条件，因此，通过现场试验方法确定层状复合岩体等效变形模量会存在许多问题，尺寸效应即是主要问题之一。结合清江水布垭水利枢纽地下厂房P1q^3层软硬相间层状复合岩体力学参数取值问题，在现场岩体变形试验基础上，通过开展数值模拟试验，研究了不同加载尺寸对层状复合岩体变形参数的影响。研究成果表明：层状复合岩体变形模量具有明显的尺寸效应，岩体变形模量与加载面直径之间可近似采用负幂函数表示：E=7．989D^-0.552常规变形试验加载尺寸明显偏小，当加载面直径应达到3～5m，岩体等效变形模量取值3～4Gpa，比常规试验降低70％左右。     

岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析

 岩体结构面形貌存在明显的各向异性和尺寸效应特征。由于结构面本身的复杂性,定量表征其属性仍是该领域的研究难点。鉴于此,考虑岩体结构面的地质本质性特征,应用地质统计学原理,提出采用变异函数参数(基台C和变程 )表示结构面粗糙度(JRCv)的方法;然后采用量纲分析法,给出JRCv表达式。应用提出的公式计算结构面上不同尺寸范围(100 Pixel×100 Pixel～1 000 Pixel×1 000 Pixel) 32个方向上的JRCv值,分析结构面粗糙度各向异性及其尺寸效应特征。研究结果表明：(1) 从表观看,沿分析方向,结构面越粗糙,JRCv值越大,JRCv可以定量表征结构面粗糙度及其各向异性特征;(2) 在结构面分析方向上,随尺寸范围的增大,JRCv值逐渐减小,达到一定范围时,JRCv值趋于稳定,通过分析各方向上JRCv值随尺寸范围的变化趋势,可以确定结构面的临界范围;(3) 结构面各向异性特征受结构面研究范围的影响,当研究范围达到一定尺度时,结构面各向异性特征趋于稳定。该研究成果将为定量分析岩体结构面力学性质强弱方向提供依据,为实验室或原位结构面力学试验选择合理尺寸试件提供一种新方法。     

考虑结构面特性的层状岩体复合材料模型与应用研究

 层状岩体由于存在着定向结构面导致其破坏机制和变形行为与一般岩体相比,存在着显著的差异。为此,先通过独立考虑基岩和结构面的物理力学特性,提出层状岩体复合材料硬化–软化模型,以便用来描述这类岩体在强度和变形方面的各向异性以及渐进破裂(或滑移)特征。然后,采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,从而实现非线性数值计算功能。通过与经典理论解和已有模型数值解进行对比,以及对单轴和三轴压缩试验的数值模拟,表明该模型在描述上述这些特征方面是合适的。同时,这些压缩试验的数值模拟结果给出不同围压和倾角情况下层状岩体的力学响应特征,并初步探讨这类岩体的破裂(滑移)机制。最后,将该模型应用于典型边坡工程和洞室工程中,所得结果可以较好地解释工程现场的变形破坏现象,且与工程实践基本相符,验证该模型在工程应用方面的可行性。     

岩石结构面峰值摩擦角应力效应试验研究

 工程上常采用不随应力变化的岩石结构面抗剪强度参数,不能反映结构面摩擦角应力效应的变化规律。为研究结构面摩擦角与法向应力的相关度,首先对中砂、水泥、硅粉、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行研究,获得与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面,并利用自制的高精度岩石结构面直剪仪对系列法向应力下的结构面摩擦角进行直剪试验研究和数据统计分析,结果表明：结构面峰值摩擦角及其变化率均随法向应力的增加而降低,而不是通常认为的峰值摩擦角为定值;结构面残余摩擦角随法向应力的变化并不是很明显;具有不同起伏程度和粗糙度系数的模型结构面在相同法向应力下的峰值摩擦角也有差异;结构面峰值摩擦角应力效应和JRC-JCS (JRC为粗糙度系数,JCS为壁岩强度)准则中所确定的峰值摩擦角变化规律相一致,而且粗糙度系数越大结构面峰值摩擦角的应力效应越明显。     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

考虑层状岩体结构的深基坑开挖力学效应分析

层状岩体是自然界广泛存在的一种岩体结构,其在沿层面和垂直层面两个方向上的力学性质差异明显,可以归结为横观各向同性介质,由于层面的影响,受力屈服后的破坏模式也有别于均质岩体。基于横观各向同性弹塑性模型,对计算需要的各向异性面两个相互垂直方向的弹性常量、岩块和层面抗剪强度参数、岩块和层面抗拉强度等参数分别作了多组试验,得出了基本的物理力学指标。基于FLAC3D软件平台,对贵阳某层状岩体深基坑的开挖进行力学计算,分析了4个侧壁的应力状态、位移大小及破坏区分布。结果表明:近似顺倾向的边坡变形大于近似逆倾向及切向边坡,以层面滑移破坏为主,应力释放更明显,说明顺倾向、缓倾角的层状岩体结构对边坡的稳定程度起控制作用。     

向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析

 向家坝水电站地下厂房跨度33.4 m、高85.2 m,为国内最大跨度与高度的地下厂房。缓倾角岩层中大跨度地下洞室群的开挖致使顶拱围岩稳定问题突出,为典型结构面控制型地下岩体工程。采取三维离散单元法与应力位移监测相结合的研究对策,对围岩稳定进行综合分析,实施对穿锚索和系统锚杆的加固对策,并基于监测成果说明厂房顶拱围岩在开挖加固后的稳定性。研究表明,浅至中等埋深结构面控制型围岩稳定问题必须加强工程地质分析,重视岩体的非连续性和各向异性,宜采用非连续介质力学分析方法进行分析,以实施针对性加固措施。     

层状岩体边坡锚固的断裂力学原理

岩体边坡的锚固及稳定性问题是岩土工程中困难的问题之一,长期以来,岩体边坡锚固效果一直没有较好的计算方法。基于线弹性断裂力学原理,将层状岩体的层间潜在最弱面等效为等间距共线多节理的力学模型,通过分析含有一条节理的有限大小岩体在压剪应力作用下节理线附近应力场在锚固前后的变化,提出了计算由于锚固引起的锚固效果公式,较好地解释了边坡锚固的增效问题。     

层状地基中应力和位移场的边界元分析

利用层状材料的广义Kelvin基本解,建立计算三维层状地基中应力和位移的边界元方法。将广义Kelvin基本解与边界元方法相耦合,建立层状地基边值问题的边界积分方程,方程中不含有在层状材料交界面上的积分。对核函数中出现的奇异积分进行解答。算例分析表明,建议的方法可以获得较高的计算精度。     

卸荷岩体的尺寸效应研究

讨论了岩体尺寸效应研究的现状。根据三峡工程永久船闸高边坡岩体的物理仿真卸荷试验,研究了卸荷岩体的尺寸效应问题,即应力-应变关系、抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、各向异性等物理特性,得到了几点有意义的结论,并推荐了相应的力学参数。     

利用地应力实测数据讨论地形对地应力的影响

首先详细描述了研究区域内2个钻孔的水压致裂地应力测试结果，包括测试段深度、最大和最小水平主应力的量值以及诱发破裂的印模定向试验结果。此外，还对测区内地质构造、地形地貌条件以及地层岩性进行了简要的介绍。经过对地应力测试结果以及相关数据的初步分析，发现对于相距仅280m左右的2个钻孔，其地应力状态及其分布规律存在较大的差异。为此，结合三维有限元数值模拟技术，对研究区域的地应力赋存状态和分布规律进行了更为详尽的分析，进一步研究和讨论了地形条件对地应力状态的影响和控制作用。     

温度应力对裂隙岩体强度的影响研究

 从断裂力学理论出发,定量分析高于常温的温度场中温度应力作用对含有单条裂隙、单组裂隙以及多组裂隙岩体强度的影响规律。由理论角度,从弹性力学着手,采用解析的方法以等效荷载法,利用叠加原理,将代表性体积单元中单条裂隙温度应力的表达式叠加到代表性体积单元的单条裂隙的结构荷载中,推导岩体裂尖处在一定温度应力作用下断续裂隙介质的细观断裂强度表达式,简便有效地将细观尺度如裂隙长度、方向等与宏观条件如温度、强度有机地结合起来,完善现阶段研究对于裂隙岩体强度表达形式的不足,引出一个能够全面展示宏、细观层面及考虑温度影响因素,综合表达裂隙岩体强度稳定性的探索新思路。最后通过相关试验结果,验证所建立的公式具有较高的可靠性。     

采动底板层状岩体应力分布规律及破坏深度研究

准确预测采动底板破坏深度是承压水上采煤中的一个关键问题.将底板层状岩体视为横观各向同性连续体,根据煤层上覆载荷分布特点,推导出煤层采动后的底板任一点应力解析解.在此基础上,分析横观各向同性底板变形参数的各向异性度(E1/E2,μ1/μ2)对应力分布规律的影响.根据应力计算结果,利用Mohr-Coulomb屈服准则,试算搜索出横观各向同性岩体危险剪切面并判断该面是否破坏.算例显示,弹性模量各向异性度对采动底板各种应力分布影响较大,而泊松比各向异性度只对水平应力影响较大,对垂直应力和剪应力的影响远小于弹性模量各向异性度的影响.由于考虑了层状岩体变形和强度的各向异性,横观各向同性底板最大破坏深度及其位置的计算结果与现场注水试验基本相符,较各向同性底板的计算精度要高.     

层状岩体断裂破坏特殊现象及机制分析

对某水电站左岸边坡层状泥岩进行了强度试验研究,同时对裂纹垂直于层面及平行于层面这两种基本情形也进行了断裂试验研究。由于此层状岩体在强度方面表现出明显的正交各向异性,导致其在裂纹扩展方面表现出明显的特殊性,如I型及I-II复合型裂纹的剪切起裂扩展,锯齿状的裂纹扩展路径等等。此外,通过断裂力学及有限元方法对破坏机制进行了论证分析。由计算所得的KI和KII数值解,得到了裂纹垂直于层面时此泥板岩的临界断裂曲线。通过试验及理论探讨,为裂纹与层面斜交这一工程普遍情形的分析提供了基础,所得相关结论及临界断裂曲线也可为层状岩体边坡工程的结构面相关参数取值提供依据。     

地层各向异性对套管受力的影响

套管损坏是制约油气生产的瓶颈问题，而套管外挤载荷设计合理与否对套管寿命具有决定性的作用。前人在研究套管外挤载荷时，都将地层考虑为正交各向异性、横观各向同性材料，没有考虑在垂直井眼轴线平面上岩石力学性质各向异性的问题。在考虑这一特点的基础上，建立，套管应力计算的力学及有限元模型。计算结果表明，在均匀水平地应力条件下，若地层为横观各向同性，则套管应力为均匀分布：若地层力学件质在垂直井轴平面上为各向异性，则套管应力由均匀分布转化为非均匀分布，且戍力极值增大。这一结论说明；在均匀水平地应力条件下，地层各向异性对套管受力有着较为明显的影响，在设计套管外挤载荷时，应该给予允分考虑；同时这也有助于解释套管所受外挤载荷超过上覆岩层压力的问题。在非均匀水平地应力条件下，无论地层为各向同性或各向异性，套管应力均呈现非均匀分布态势，其套管应力极值变化不大。因此，在非均匀水平地应力条件下，地层各向异性对套管受力影响不大，在设计套管外挤载荷时，可简化省略。