岩石节理弹塑性本构关系

岩石节理弹塑性本构关系方理刚（冶金部长沙矿冶研究院，４１００１２）１前言节理作为岩体工程科学研究对象──岩体的组成部分，它的变形行为直接影响着岩体的变形行为。因此，对它的研究对于岩体工程科学的发展具有十分重要的意义。由于以计算机为基础的数值计算方法被...     

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。     

节理密度对围岩变形及破坏影响的试验研究

采用相似模型试验和岩土工程数字照相变形量测软件,研究了深埋应力场中不同断续节理密度的岩体在开挖条件下巷道围岩破裂区的产生与扩展机理,分析了围岩破坏和碎胀变形的发展规律及其对巷道稳定性的影响。研究表明:岩体中节理密度对岩体的承载能力影响很大。与节理岩体相比,完整岩体在破裂前可以承受较大的弹性变形;节理岩体即使与完整岩体具有相同的承载能力,但其稳定性及变形量却有区别,完整岩体的变形量更小、稳定性更好。产生相同的围岩破裂区,岩体中节理越密集需要的应力越低,反之亦然;在相同的应力作用下,岩体中节理越密集,表明岩体越破碎,产生的围岩破裂区就越大,围岩碎胀变形也越大,导致工程的稳定性越差;因此,岩体中断续节理的密度控制着围岩的稳定性。     

节理岩体中隧道开挖与地震作用下围岩的稳定性

节理、断层等不连续面的存在造成岩体变形的不连续性并且这些不连续面对岩体变形、应力等力学行为造成重要的影响。在地震的作用下节理而可能张开、滑移。在有临空面时，节理岩体将表现出显著的几何非线性和大变形。对已有的非连续变形分析程序进行了改进，应用改进的程序模拟了节理岩体中隧洞开挖的过程以及地震荷载作用下隧道围岩的动力响应，并模拟了围岩的失稳和破坏过程，这有助于了解节理岩体中隧道围岩的变形和破坏机制。从计算结果可以看出，非连续变形分析方法可很好地模拟节理岩体中的隧道开挖过程以及地震荷载作用下围岩从稳定、失稳到破坏的全过程。     

贯穿节理岩体变形等效本构及各向异性研究

在各向异性材料的弹性本构的基础上,基于应变迭加原理推导了贯穿节理岩体变形的等效弹性本构模型。应用该等效本构模型,分析了含有一组节理、两组节理和三组节理正交的空间各向异性。结果表明,层状节理岩体变形特性在空间上关于节理法线方向轴对称,柱状节理岩体变形特性在空间上关于平面对称,含三组正交节理的岩体特性在空间上关于平面对称。该等效本构模型未能考虑节理与节理之间、节理与岩块之间相互交错的影响,因而对于复杂节理岩体变形特性的研究有一定的欠缺。模型工程概念明确,获得的柔度张量可以表征岩体变形的各向异性,可以直接作为ANSYS软件的输入参数进行结构分析,为节理岩体变形各向异性引起的结构效应初步分析提供了一种较便捷的方法和手段。     

基于砂型3D打印的复杂节理岩体变形破坏特征试验研究

复杂节理岩体变形破坏特征对于指导工程岩体稳定性控制具有重要理论意义和工程价值。为了克服浇筑法难以制备复杂节理试件的局限以研究节理密度对岩体变形破坏特征的影响,采用砂型3D打印技术制备基于Monte-Carlo法的含复杂节理岩体试件,通过单轴压缩试验与数字图像相关技术(DIC)相结合,研究复杂节理密度对岩体力学特征、破裂演化过程及破坏模式的影响规律,探究复杂节理对岩体的劣化效应。结果表明：随着节理密度的增加,峰值强度和峰值应变呈指数型减小,弹性模量呈线性减小;峰前总能量、弹性应变能、耗散能和峰后盈余能量均呈指数减小,而峰后释放能则呈线性减小;节理的位置和倾角共同影响着试件裂纹产生及延伸,随着节理密度的不断增加,试件破坏所产生的裂纹更易沿着特定路径扩展,节理对裂纹扩展控制作用增强。研究成果能够为复杂节理岩体力学试验的进一步研究提供新的研究思路,为复杂节理岩体变形破坏机制与稳定性分析提供理论依据。     

等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。     

针对工程中裂隙岩体的研究与解决办法

地质构造运动和风化卸荷作用,使得岩体结构中含有大量不同方向、规模、产状的非连续性结构面(包括节理、断层、裂隙),从而导致岩体在工程结构和力学性能上不同于其他工程材料,呈现非均匀、非线性的各向异性;同时又称为岩体工程地下水流的主要通道。在工程中裂隙岩体对工程建造影响巨大。针对该类问题,为了限制裂隙和岩石变形、提高岩体强度和工程结构稳定性,本论文从节理面附近的局部变形和受力状态、节理-锚杆加固系统模型进行深入分析和研究,以解决裂隙岩体在工程中的不稳定现象。     

断续节理岩体宏观变形特性差异性的分形估计

岩体结构的复杂多变是造成节理岩体宏观力学特性差异怀的重要原因。应用分形几何学中的分维数作为描述岩体结构的定量指标，建立了分维数与岩体变形参数的相关模型，进而系统研究了某重大水电工程大型地下厂房不同工程部位的围岩变形特征。     

拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型

 现有锚固理论不能反映节理岩体锚固的内在力学机制。基于节理岩体全长黏结型锚杆锚固的地质变形特征,根据加锚节理岩体超静定梁模型,将超静定梁转化为受到挤压分布力、轴力和剪切力共同作用的静定梁模型,探讨拉剪作用下节理岩体锚固的受力与变形的演化规律。基于结构力学理论,考虑锚杆横向剪切变形段荷载与变形的内在物理关系、位移相互协调关系以及由能量原理导出的平衡关系,建立拉剪作用下节理岩体锚固的力学分析模型,进一步提出拉剪荷载作用下的节理面一侧锚杆横向剪切变形段长度的计算方法。研究表明,加锚节理岩体受锚杆轴向拉力和销钉效应共同作用,节理面处锚杆轴力和剪力呈抛物线耦合关系;锚固角越大,锚杆销钉效应越显著。节理面一侧锚杆横向剪切变形段的长度随锚固角的增加而增大,但锚杆抗力随锚固角的增加而降低。与试验数据的对比分析表明,理论模型的计算结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的合理性。研究结果可为节理岩体锚固研究及工程应用提供参考。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明:①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力–应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

UDEC中Saeb-Amadei节理本构模型的二次开发

控制岩体水力学特性的节理在常法向应力边界条件和常法向刚度边界条件2种情况下的力学变形行为不同。由于Saeb-Amadei节理模型考虑了节理法向变形对节理剪切变形及剪胀的影响及节理吻合度对结果的影响,且适用于常法向应力边界与常法向刚度边界。引入Saeb-Amadei节理模型以研究裂隙岩体水力耦合特性。结合UDEC中的User-defined joint constitutive models接口,采用C++语言,编写Saeb-Amadei节理模型的数值嵌入程序Userjsa,进行单裂隙岩体的数值直剪和数值单轴压缩试验,对比计算结果与解析结果表明,计算结果与解析结果有很好的一致性,验证了数值嵌入程序Userjsa的正确性,为裂隙岩体水力耦合计算提供基础。     

金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩 岩体变形特性研究

 金沙江白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩与一般柱状节理玄武岩相比,特点明显,其柱状节理起伏、不规则,柱体断面不规则且切割不完全,柱体内微裂隙发育,岩体内缓倾角构造结构面也较发育,岩体完整性较差,但呈断续镶嵌结构。在柱状节理玄武岩工程地质调查、岩体弹性波测试、多种现场岩体变形试验等工作基础上,系统分析了白鹤滩柱状节理玄武岩的基本力学特性和不同试验加载条件下的岩体变形机制。白鹤滩柱状节理玄武岩中发育的柱状节理、微裂隙及缓倾角结构面是导致岩体变形模量较低的主要因素;柱状节理玄武岩水平向变形模量明显大于铅直向变形模量,是由结构面发育特征和岩体应力状态决定的;新鲜柱状节理玄武岩中的柱状节理和微裂隙为硬性结构面,围压状态下呈闭合状,解除围压后易张开、松弛,保持围岩状态下柱状节理玄武岩仍具有较高的变形模量。     

红层隧道围岩稳定性分析研究

红层地质节理发育,节理面对于工程岩体的变形和稳定性起着控制性作用。文章依托天坪寨隧道工程,确定红层结构面典型结构构造特征,采用块体离散元方法,对红层隧道开挖后软弱围岩稳定性进行研究,揭示出红层软岩受施工扰动后的力学行为特征,提出施工控制措施,以期为类似工程提供参考。     

节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

三峡右岸地下电站窑洞口围岩稳定性三维断裂损伤分析

三峡地下电站厂房窑洞口围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,对主厂房与窑洞口相接处围岩的稳定情况,应用三维国国节理裂隙岩体的本构关系、损伤演比方程来评价此类岩体稳定性和变形行为。结果表明所建模型是有效的。     

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。     

三峡右岸地下电站窑洞口围岩稳定性三维断裂损伤分挝

三峡地下电站厂房窑洞口围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,对主厂房与窑洞口相接处围岩的稳定情况,应用三维加锚节理裂隙岩体的本构关系、损伤演化方程来评价此类岩体稳定性和变形行为.结果表明所建模型是有效的.     

节理岩体变形分析与计算模型探讨

主要分析了岩体模型的简化,提出了均质节理岩体的本构模型,并在简单讨论了非连续变形数值分析方法的同时,讨论和分析了非连续变形计算力学模型的基本原理,它可以很精确地预测岩土工程中的变形和接触力分布及其整体稳定安全系数,并论证了它的合理性。