大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

基于岩石长期强度特征的岩质边坡时效变形过程分析

基于对岩体流变特性的认识,从岩石材料内在物理力学性质受环境影响随时间劣化与岩石内部细观损伤积累的角度出发,通过引入岩体细观表征单元体的强度退化模型,开展岩质边坡的时效变形与破坏特征的研究。首先模拟了含顺坡软弱结构面边坡的时效破坏模式,分析了软弱结构面分布和强度劣化特性对边坡长期稳定性的影响；其次对一含有明显的软弱结构面的软硬互层岩质边坡,进行了时效变形破坏的实例分析。由于岩体的流变特性,岩体强度参数随时间的推移而逐渐衰减,致使边坡稳定程度降低。特别是对于含有明显的软弱结构面及软岩层的边坡,软弱结构面及软岩层的长期强度特性不容忽视。对含有明显的软弱结构面的软弱互层边坡蠕滑破坏的控制和治理,应在顾及时间效应的基础上,着重考虑长期强度、渗控和开挖卸荷等主要因素。研究成果可望对类似边坡的安全评价和设计提供一定的参考。     

非均匀性岩石破坏过程的三维损伤软化模型与数值模拟

通过建立岩石三维细观损伤软化力学模型,结合统计技术考虑岩石细观非均匀性,编制了岩石破裂过程分析软件RFPA3D,模拟了单轴压缩下不同细观残余强度下的三维应力场变形场分布以及破坏形态,分析了细观结构非均匀性和残余强度对岩石损伤软化过程和宏观力学性能的影响。结果表明,岩石损伤破裂过程中应力–应变关系、残余变形特征和峰值强度不仅与结构相关,而且与细观损伤软化模型、细观非均匀性和残余强度紧密相关。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。     

岩石直接拉伸破坏过程及其分形特征的 三维数值模拟研究

通过建立带有残余强度的弹脆性拉伸损伤细观力学模型,运用并行有限元计算手段,模拟不同均匀程度的岩石试样在直接拉伸应力作用下的破坏演化过程,得到拉伸断裂位移-应力全过程曲线,并进行理论和试验对比分析验证.通过分析非均匀性对拉伸过程中非线性力学行为及断裂破坏形态,最后讨论了拉伸断裂破坏的分形特征.数值试验结果表明,非均匀程度对岩石直接拉伸破坏过程中的非线性行为有很重要的影响.岩石细观非均匀程度越高,宏观表现出的直接拉伸强度和初始弹性模量越高,破坏的脆性程度越强,但是残余变形能力和残余强度越低,断口表现出更为光滑的形态.三维空间的破坏分形分析表明,分形维数随着拉伸的进行而逐渐增加,当岩石完全拉伸断裂之后分形维数增加到一个恒定的最大值,而分形维数的变化情况同样反映了岩石的非均匀程度和脆性拉伸破坏程度.     

隧道穿越软弱破碎带超前支护加固效果分析

为研究管棚支护在软弱围岩中对隧道的影响，文章依托亚曲滩隧道穿越软弱围岩的浅埋暗挖工程进行模拟分析。研究结果表明：拱顶管棚挠度沿隧道纵向逐渐减小，洞口位置处挠度较大，末端挠度最小。拱腰管棚的挠度值相对较小，约为拱顶管棚挠度的1/2，且变形由两侧拱腰向拱顶递增。拱顶管棚轴力沿隧道纵向先受压后受拉，拱腰管棚轴力也是先受压后受拉，但拱顶轴力约为拱腰轴力的两倍，并且轴力由拱顶向拱腰两边递减。随着管棚直径的增大，隧道拱顶、拱底和拱腰逐渐减小。管棚直径对拱顶沉降的控制效果最好，其次是拱底，最后是拱腰。随着直径的增大，隧道拱顶、拱底受直径的影响逐渐减弱，变形速率逐渐下降。间距的增大导致隧道拱顶、拱底的变形增加，变形速率逐渐上升。管棚加固区厚度的增大使得隧道拱顶、拱底和拱腰的变形逐渐减小。管棚加固区厚度增大对拱顶沉降的控制效果较好，其次是拱底，最后是拱腰。在管棚加固时，应特别关注隧道拱顶的情况。该研究结果可为类似工程提供一定的借鉴作用，对隧道结构的安全有积极作用。     

三维大理岩弹塑性损伤及细观破坏过程数值模拟

目前对于岩石细观破坏的研究取得了一些进展,但在许多工程领域不能简单地采用弹性损伤模型分析,而要考虑岩石细观局部塑性变形对岩体强度和稳定性的重要影响.因此,基于应变空间理论导出弹塑性损伤细观模型,提出破坏单元网格消去法模拟裂纹扩展,程序自动删除损伤度为1的细观单元,使该单元在下一步计算中失去作用,利用高性能并行计算实现岩石三维破裂过程的数值模拟.对大理岩三点弯曲试样I型及I-II复合型裂纹的破坏过程进行数值模拟,研究裂纹穿晶和绕晶破坏问题,给出裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响.计算结果表明,考虑岩石细观局部塑性变形时的岩体稳定性要大于不考虑局部塑性时的稳定性,仿真试验和物理试验吻合较好,由此说明所提出的岩石弹塑性损伤破坏模型的正确性和有效性;裂纹尖端晶体强度影响穿晶和绕晶的破坏模式;破坏单元网格消去法解决有限元模拟裂纹扩展的难题,给出的模型和方法可付诸于实践.     

基于TOUGHREACT的岩石水力损伤耦合数值模型研究

从细观力学角度出发,充分考虑水-力耦合条件下岩石细观特征及其演化,结合热力学理论,建立基于TOUGHREACT的岩石细观水力损伤耦合数值模型。模型可较好地考虑任意微裂纹滑移剪胀、损伤扩展和法向压缩闭合等细观力学行为对岩石宏观变形破坏、渗透性演化和水流运动过程的影响。采用室内煤岩注水破坏试验成果对数值模型的正确性和有效性进行验证,进而开展现场尺度下岩石注水响应的应用模拟研究。模拟结果表明,注水引起的岩石损伤与压力增高区的分布同时受注入流量、现场应力水平与初始微裂纹各向异性分布等因素的影响。岩石宏观水力耦合响应的模拟有赖于内部微裂纹结构的准确表征。研究成果对深化岩石水力耦合研究具有一定参考意义。     

复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验

提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型,对混凝土试件进行了轴向拉压细观数值模拟试验,同时探讨了复杂应力状态下混凝土损伤破坏机理。然后基于实际工程采用的混凝土细观动态参数试验实测值,利用细观数值模型对循环荷载作用下全级配大坝混凝土试件进行了弯折损伤破坏模拟。其数值计算结果与材料试验测的数据吻合较好,进一步验证了在循环动荷载作用下预静载对动弯拉强度也存在强化现象。本文轴向拉压细观数值模拟试验表明,细观界面黏结强度是控制混凝土宏观抗压强度和宏观抗拉强度的关键参数,而黏结面泊松比的大小对混凝土宏观抗压强度影响很大。这个研究结果表明,混凝土材料受拉破坏机制与剪切破坏机制在本质上可统一为受拉破坏机制。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法EI北大核心CSCD

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

主应力对洞室围岩失稳破坏行为的影响研究

 针对复杂应力环境三向应力状态下地下洞室围岩破坏条件和破裂机制,采用统计损伤理论和数值模拟方法,建立三维非均匀性地质模型,考虑应力的三维效应,引入强度折减法,一方面在保持模型边界条件的同时实现洞室围岩的逐步破坏,另一方面以此定量评价不同应力场中洞室安全稳定状况,探讨不同侧压力系数和轴向应力条件下洞室围岩破坏模式,探究中间主应力对洞室稳定性的影响以及深部岩体分区破裂化现象产生条件和破裂规律等。结果表明,侧压力系数影响洞室围岩初始破裂形成部位和发展趋势;不同的轴向应力使得洞室围岩破裂区域和范围显著不同,在不同的侧压力系数条件下,轴向应力影响洞室稳定的规律存在差异;不同方向中间主应力对洞室围岩安全稳定状况的影响是不同的;当洞室轴线方向与最大水平应力方向平行时,较大的轴向应力会使洞室围岩产生分区破裂化现象,围岩破坏的区域也是拉应变集中的区域等。这些结果对进一步揭示地下洞室围岩非线性变形破坏行为,评价岩土工程安全稳定性,采取合理的支护措施等均具有重要意义。     

高地应力陡倾互层千枚岩地层隧道大变形研究

 在高地应力陡倾软岩地层中开挖隧道,易引发围岩发生大变形。为了明确大变形的诱发因素,分析围岩的破坏机制、变形特征及支护结构的受力规律,提出合理的控制技术,依托杨家坪隧道进行相关研究。通过岩石试验,分析绿泥石千枚岩显著的各向异性力学特性,明确岩块的破坏形式与荷载角度的关系。通过现场观测和数值计算可知,围岩变形表现为整体内挤,水平收敛大于拱顶沉降,边墙围岩以水平向的弯折破坏和层面分离为主,其最大主应力呈“＜”,“＞”形分布,拱部和仰拱围岩以剪切滑移破坏为主,其最大主应力沿隧道切向。综合分析该隧道大变形的主要诱因是：高构造应力、不利岩层产状和低岩体强度。通过现场测试,总结了各支护结构的受力分布及发展规律。现场试验成果表明：与岩层大角度相交的长短组合锚杆配合注浆可有效加固围岩,改善围岩压力;减少开挖分部,使初支尽快成环,可充分发挥初支承载力;优化断面轮廓,可改善结构受力。     

节理特性对顺层隧道破坏模式及稳定影响分析

顺层隧道的破坏模式及稳定性与岩体节理特性密切相关。建立顺层隧道的节理岩体模型,采用有限元强度折减法,研究了当顺层隧道围岩为硬质岩层、硬质岩软质岩互层时,节理倾角变化以及节理间距变化对隧道破坏模式及稳定性的影响。结果表明,顺层隧道开挖后,顺层面方向围岩会顺着节理面滑移,垂直层面方向围岩会产生弯曲折断破坏。当节理倾角变化时,两个方向的破坏程度和破坏范围会随之发生变化,从而影响隧道的安全系数,倾角40°时安全系数达到峰值。当隧道围岩为硬质岩层时,节理倾角的变化对隧道围岩的破坏模式影响较小,当隧道围岩为硬软互层时,随着节理倾角的增大,软质岩顺着节理面滑移的可能性大大增加。当节理间距增大时,隧道围岩宏观力学性质逐渐趋向于岩石,安全系数逐渐增大。研究成果对于合理设计顺层隧道的支护措施具有指导意义。     

Energy analysis and criteria for structural failure of rocks

The intrinsic relationships between energy dissipation,energy release,strength and abrupt structural failure are key to understanding the evolution of deformational processes in rocks.Theoretical and experimental studies confirm that energy plays an important role in rock deformation and failure.Dissipated energy from external forces produces damage and irreversible deformation within rock and decreases rock strength over time.Structural failure of rocks is caused by an abrupt release of strain energy that manifests as a catastrophic breakdown of the rock under certain conditions.The strain energy released in the rock volume plays a pivotal role in generating this abrupt structural failure in the rocks.In this paper,we propose criteria governing（1） the deterioration of rock strength based on energy dissipation and（2） the abrupt structural failure of rocks based on energy release.The critical stresses at the time of abrupt structural failure under various stress states can be determined by these criteria.As an example,the criteria have been used to analyze the failure conditions of surrounding rock of a circular tunnel.     

支护阻力与深部巷道围岩稳定关系的试验研究

 在真三轴试验台上，通过对模型加围压至设计值后开挖巷道，并利用气压支护试验装置在巷道内施加均布压力来模拟支护阻力，真实再现深部巷道开挖与支护过程中围岩的演化过程。应用先进的数字图像采集和相关分析技术对巷道围岩位移场进行量测与分析，探寻不同支护阻力与深部巷道围岩稳定关系，为确保深部巷道工程的稳定提供理论与技术依据。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

Numerical study on failure mechanism of tunnel in jointed rock mass

During underground excavation many surrounding rock failures have close relationship with joints. The stability study on tunnel in jointed rock mass is of importance to rock engineering, especially tunneling and underground space development. In this paper, a numerical code called RFPA was used to study the influence of different dip angle of layered joints and the lateral pressure coefficient on the stability of tunnel in jointed rock mass. Numerical analysis indicated that both the dip angle of joints and the lateral pressure coefficient have significant impacts on the failure mode and displacement characters of tunnel. The progressive failure processes of tunnel in jointed rock mass were presented and the mechanisms were discussed. The applicable condition of geographical method by Goodman is also discussed. These results offer a guideline in support design.     

Geomechanical model test for analysis of surrounding rock behaviours in composite strata

Due to the large differences in physico-mechanical pro perties of composite strata,jamming,head sinking and other serious consequences occur frequently during tunnel boring machine(TBM) excavation.To analyse the stability of surrounding rocks in composite strata under the disturbance of TBM excavation,a geomechanical model test was carried out based on the Lanzhou water supply project.The evolution patterns and distribution characteristics of the strain,stress,and tunnel deformation and fracturing were analysed.The results showed that during TBM excavation in the horizontal composite formations(with upper soft and lower hard layers and with upper hard and lower soft layers),a significant difference in response to the surrounding rocks can be observed.As the strength ratio of the surrounding rocks decreases,the ratio of the maximum strain of the hard rock mass to that of the relatively soft rock mass gradually decreases.The radial stress of the relatively soft rock mass is smaller than that of the hard rock mass in both types of composite strata,indicating that the weak rock mass in the composite formation results in the difference in the mechanical behaviours of the surrounding rocks.The displacement field of the surrounding rocks obtained by the digital speckle correlation method(DSCM) and the macro-fracture morphology after tunnel excavation visually reflected the deformation difference of the composite rock mass.Finally,some suggestions and measures were provided for TBM excavation in composite strata,such as advance geological forecasting and effective monitoring of weak rock masses.     

深部高侧压巷道围岩失稳机理及控制对策

针对金川矿山958中段出现的巷道破坏现象,运用理论分析、力学推导、数值计算、工程试验等方法,模拟不同侧压下巷道围岩变形过程,揭示围岩失稳机制及支护失效机理,探究高侧压巷道稳定控制对策,提出“拱梁联合支护”方案,完善锚固作用下“围岩承压拱”计算模式,构建“底板—桁架梁”力学模型,并通过解析微分控制方程进行支护参数反演。调查研究表明,巷道顶底板变形比重与侧压系数?呈非线性正相关,围岩受力状态及位移形变随?变化;高水平构造应力、骤变部位集中应力是低相对强度围岩失稳和高关联度支护体失效的主要诱因;兼顾局部和整体强度关系、改善不良应力状态、增强围岩承载能力为高侧压巷道稳定性控制的关键;锚杆应力维体与围岩相互作用形成承压拱可分消应力作用;底板桁架梁横撑底脚,减弱两帮向内收敛挤压趋势。监测结果显示,巷道变形速率减缓和变形幅度降低,整体稳定得到控制。