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。     

节理岩体宏观力学参数的计算机模拟试验

本文借助力学理论与计算机方法,并在地质调查的基础上,对三峡工程船闸区典型地段的岩体进行了计算机模拟试验,用研究节理对宏观力学参数的影响以及宏观力学参数的结构效应。     

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。     

断续节理岩体渐进破坏数值模拟方法及等效力学参数的测定

工程岩体分级标准一般不考虑工程岩体的本构关系,仅提供黏聚力和内摩擦角,岩石的力学参数及现场小尺度的试验结果也不能直接用于工程计算。针对这一问题,利用岩石及结构面的实测参数建立含随机裂隙的岩体数值模型,模拟裂隙岩体渐进破坏过程,并获取岩体等效力学参数的数值模拟方法。计算结果证实,考虑地应力及卸荷条件下,计算获得的岩体强度参数较基于工程岩体分类体系的经验值高30%~50%,各风化、卸荷区结论一致,数值模拟获得的岩体卸载变形模量与工程实测值反演获得的变形模量一致。采用数值模拟方法获取岩体破坏模式、本构关系及相应的强度、变形参数是可行的。     

节理岩体数值分析及模型试验研究

本文利用损伤模型分析了模拟节理岩体的力学特性,并利用地质力学模型试验分析了地下洞群的变形和应力状态,从而证明了损伤模型的正确性和实用性.     

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。     

节理岩体正交各向异性等效变形参数研究

将节理岩体变形视为线弹性的岩块变形和非线性弹性的结构面变形之和,在分析已有结构面变形特点的基础上,提出了一种新的结构面法向变形计算公式,该公式可以考虑岩体初始应力状态对变形的影响。然后,利用岩体裂隙网络和等效连续应变理论,研究节理岩体等效应变的计算方法,并根据正交各向异性的弹性本构模型,将岩体作为正交各向异性连续材料计算其等效变形参数。最后,编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果的合理性。     

岩体节理剪切变形的幂函数模型

在分析了岩体节理剪切变形常用双曲线模型和指数模型的基础上 ,提出了一种幂函数模型。用幂函数模型描述的回归曲线以及根据试验参数得到模拟曲线与试验值比较误差均较小。最后 ,对模型中参数的影响因素进行了分析     

柱状节理岩体侧向变形特性单轴压缩试验研究

由于柱状节理网络的存在,柱状节理岩体在单轴压缩下沿柱状节理的滑移、松弛或局部破裂将产生较大的外观侧向变形,相应的侧向应变与轴向应变之比(以下简称侧向应变比)将大大超出连续介质泊松比上限值0.5。正确把握柱状节理岩体较大侧向变形特性,是地下洞室等大型柱状节理岩体工程设计需要解决的关键问题之一. 为此,以石膏混合材料制作柱体与σ₁具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到了模拟柱状节理岩体侧向应变比ν_r随β的变化曲线,曲线近似为倒“U”型,并在β=30°时取得最大值,在此基础上根据模拟柱状节理岩体的破坏模式对其侧向变形力学机理进行了分析。最后,参照Ramamurthy各向异性经验模型构建了预测柱状节理岩体侧向应变随夹角β变化的经验公式,将经验预测值与试验实测值进行比较发现两者吻合较好,该经验公式可以较好地预测侧向应变随夹角β的变化趋势。     

节理岩体表征单元体尺寸确定的数值模拟

从节理岩体表征单元体的力学意义出发,在通过对某物理试验结果进行模拟以验证RFPA程序模拟节理岩体强度及破裂模式具有适用性的基础上,提出一种基于RFPA数值模拟确定节理岩体表征单元体的方法。该方法基于蒙特卡洛法生成二维节理裂隙网格,实现节理裂隙的表征,将其导入岩石破裂过程分析软件中,分析节理岩体弹性模量和单轴抗压、抗拉强度的尺寸效应和各向异性,并据此确定了节理岩体的表征单元体尺寸。最后,针对某采场围岩节理面统计参数,分析讨论节理岩体的尺寸效应和各向异性,通过综合分析确定了节理岩体的弹性模量、抗压强度和抗拉强度等参数,并得出其表征单元体的尺度为6 m×6 m,这为后续的岩石力学研究奠定基础。     

原位直剪试验测试强风化岩体强度参数的数值模拟

简述了某强风化岩的原位直剪试验,并采用数值模拟手段对试验进行模拟还原。结果表明,模拟得到的土体强度参数与试验值较为接近,在一定程度上证明了数值计算方法的准确性。而后对试样的应力变形特性进行了分析,试样剪应力云图大体呈现工字型分布,也即试样两端的剪应力较大,而中部的剪应力相对较小,试样在约束刚度较大的位置(如靠近铁质剪切盒)或具有一定凹角的接触面上(如剪切盒的边角处)存在明显的应力集中现象。通过数值模拟计算,一方面可以更为全面地展示原位直剪试验结果,揭示在试验中所无法获取的信息,另一方面,模拟结论也能够跟试验成果互为佐证,以便将其可靠地推广应用到滑坡的防治研究中。     

模拟柱状节理岩体常规三轴压缩下变形和强度特性试验研究

柱状节理岩体是溢出型火成岩常见的结构性岩体,对其在三轴应力下变形和强度特性的正确认识,是水利水电及地下洞室等大型岩体工程论证和设计需要解决的关键问题之一。为此,采用石膏混合材料制作柱体与最大主应力σ1具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过对试件进行不同围压下的三轴压缩试验研究柱状节理岩体变形和强度特性,得到其在三轴压缩下弹性模量和峰值强度随β角的变化规律。由试验结果可知:在同一级围压下,弹性模量和峰值强度随夹角β增大呈递减趋势,即弹性模量和峰值强度随夹角增大先减小,在β=45°时最小,而后随夹角增大保持相对不变。此外,利用试验数据建立柱状节理岩体弹性模量和峰值强度与夹角β之间的经验关系式,通过比较发现经验关系式与实测数据吻合较好。最后对试件的破坏类型与特征进行了归纳,总结了柱状节理岩体在三轴压缩下的4种典型破坏类型,并对其破坏机制进行了分析。     

岩体节理网络分形的计算机模拟研究

本文利用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法在计算机上生成岩体节理网络图,然后介绍了求分形维数的盒维法,并编写了相应的计算该网络分形维数的程序;最后分析了一些算例,并得出了分形维数与节理参数及ＲＱＤ之间的关系。     

基于精细结构描述及数值试验的节理岩体参数确定与应用

岩体参数是岩体工程设计与优化的重要依据。以现场精细结构测绘为基础,借助数值计算工具,进行大样本岩体力学试验为岩体参数的确定提供了一种新思路。精细结构描述的重点在于现场地质测绘工作的细致。以统计窗为基础,结合地质素描和数码摄像技术,补充发展了一套岩体精细结构测绘的现场工作方法。以现场测绘为基础,建立岩体结构模型。同时,通过离散元数值试验与物理模型试验的对比,验证数值试验的精度,并以锦屏一级水电站为例对坝区岩体进行大样本岩体数值试验,给出应力–位移全过程曲线、应力分布、位移分布及塑性区分布等分析成果。对比发现,数值试验结果与岩体质量评价结果基本吻合,计算结果可靠。数值试验细化了岩体参数的分布特征,大样本试验将会促进工程参数风险预测和可靠度分析的发展。     

节理岩体中洞室围岩大变形数值模拟及模型试验研究

根据节理岩体的特性，按弹簧块体理论模拟节理岩体中大型地下洞室开挖与锚杆支护的变形特征。同时，开展了开挖条件下节理围岩变形特性和锚固效应的模型试验研究，得到不同初始地应力场条件下，大型地下洞室分步开挖和锚杆支护的围岩力学行为的变化规律，数值计算结果和实测结果所反映的节理岩体围岩的运动规律基本一致。     

多组贯穿节理岩体正交各向异性变形参数研究

目前对于节理岩体各向异性变形参数的解析方法研究不多。假设岩块为各向同性线弹性体,结构面的应力与位移之间满足线性刚度关系,建立多组贯穿节理岩体的正交各向异性变形参数计算模型,相关计算公式简单实用。进一步的研究结果表明：对于贯穿节理岩体,其体积变形具有正交各向异性变形特性,而剪切变形并不具有明显的正交各向异性。最后通过3DEC数值验证与辅助研究,相关数值成果与理论计算相差较小,说明该理论模型对于岩体各向异性变形与稳定性评价有一定的参考价值。     

层状岩体多节理本构模型与试验验证

 根据含多节理层状岩体典型力学特征,在所提出的考虑一组节理面的层状岩体复合材料模型基础上,建立考虑多组结构面特性的层状岩体多节理本构模型,用来描述其在强度和变形方面的各向异性以及应变硬化–软化特征,进而采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,实现其非线性数值计算功能。然后,利用所提出的本构模型与三维节理网络模型相结合,初步提出基于连续介质力学理论的合成岩体模型(SRMM)分析方法。基于这些模型理论和分析方法,建立现场真三轴试验岩样的三维合成岩体计算模型,通过与现场试验结果对比,表明所提出的本构模型在描述多节理岩体力学特性方面是可行的、合适的。     

刀具动态作用下节理岩体破坏过程的数值模拟

基于细观损伤力学和动力有限元方法,模拟分析了节理岩体在刀具动态荷载作用下的损伤破裂过程,探讨了节理间距和节理角度的影响。在动力分析模型中,通过考虑黏弹性边界以排除边界应力波反射的影响,提高了计算精度。数值模拟结果表明,节理的存在改变了岩体中应力波的传播模式。一方面,节理面反射的拉伸应力波加剧了节理与刀具间岩体的碎裂;另一方面,软弱节理面破坏吸收了应力波能量,阻碍了应力波向下的传播,减弱了下部岩体的破坏程度。模拟结果还表明,节理间距越小,岩体破坏程度更加明显。倾斜节理的存在使刀具下部的裂纹出现不对称性扩展特征,影响了主裂纹向下扩展的能力,限制了其伸展的空间。节理岩体在刀具动态作用下的破坏过程研究还很少见到,研究结果对于节理岩体动态破坏的机理以及地下工程开挖等实际应用,具有一定的参考价值。     

开挖瞬态卸荷引起的节理岩体松动模拟试验

为了研究高地应力条件下节理岩体的卸荷松动效应,设计一套高地应力条件下节理岩体开挖卸荷松动的室内试验模拟系统,利用岩条受压后的快速断裂失稳,有效实现单轴受压节理岩体试件的应力快速卸载,模拟出高地应力瞬态卸荷引起的岩体松动效应,从而更好地论证高地应力条件下岩体开挖荷载瞬态卸荷(ELTU)引起的节理岩体的松动效应,并利用试验模拟的方法研究开挖荷载瞬态条件下节理岩体松动效应与初始地应力的相互关系。试验结果表明,地应力瞬态卸荷产生的节理面张开位移与卸荷初始应力的平方存在一定的正比关系,节理面的数量以及与开挖卸荷部位的距离影响各节理面处的张开位移在开挖卸荷总位移量中所占比例。     

节理岩体力学参数的选取与应用

在岩块的变形和强度参数及岩体结构面的野外统计窗资料的基础上，利用损伤力学和Hook-Brown准则进行节理岩体力学参数的选取，从而为岩体工程数值模拟提供较可靠的参数。最后，给出了该方法应用于浙江三门核电厂人工边坡数值计算的实例。