用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展

提出一种用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展的方法。将计算区域自动剖分成三角形块体单元,块体边界分为真实的节理边界和虚拟节理边界。裂纹扩展沿虚拟节理进行,按照界面破裂准则进行裂纹扩展分析。该方法可以模拟裂纹萌生、扩展、贯通和岩体破碎全过程,适用于完整岩石、断续岩体乃至完全不连续岩体等任意情形。由于该方法基于离散颗粒数值模型,其计算过程不会遇到数学上的困难。根据所提算法,编制VC＋＋程序模块,并计算几个算例。模拟结果与已有的物理、数值试验结果吻合得较好,表明所提算法是有效的。     

非连续变形分析(DDA)方法研究现状及发展趋势

DDA方法是近年来发展起来的一种分析不连续介质力学的崭新的岩土工程数值模拟方法。在充分地介绍总结DDA方法国内外目前的研究与应用的基础上，展开了一些讨论，就今后的发展方向谈了一些看法。     

节理岩体热应力问题的非连续变形分析方法

 结合非连续变形分析方法, 提出了一种研究节理岩体热应力问题的等效初应力方法。该方法将温度变化对岩体的力学影响转化为等效初应力的作用来求解节理岩体热应力问题, 给出了平面应力和平面应变问题中等效初应力和等效载荷矩阵的计算公式。算例表明该方法是有效的。     

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

 利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现：(1) 随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2) 在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3) 当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。     

含节理大理岩变形和强度特性的试验研究

 锦屏二级水电站处于高地应力区域,引水隧洞开挖后岩体变形和稳定问题十分突出。从辅助洞取样制备含节理试件,采用MTS815.03岩石三轴试验机,开展了含天然节理大理岩试件的常规三轴压缩试验。试验中,节理面与最大主应力夹角θ为29.3°～56.0°,围压为5～40 MPa。通过试验结果分析,主要得到如下结论：(1) 试件共有两类破坏形式：穿切节理面破坏和沿节理面滑移。试件破坏形式主要取决于节理面与最大主应力夹角大小。在试验围压范围内,围压高低对试件破坏形式没有影响。(2) 试件变形特征取决于节理面与最大主应力夹角的大小,并受围压高低影响。(3) 试件轴向变形曲线均具有较好的线性段,但其轴向等效弹性模量均显著低于完整岩石弹性模量。(4) 试件强度首先取决于θ的大小,θ＞40.0°的试件破坏强度与完整岩石相当;θ＜40.0°的试件破坏强度较完整岩石有显著降低,不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。     

共面闭合断续节理岩体的直剪强度研究

根据模型试验研究结果，深入分析了直剪条件下含共面闭合断续节理岩体的变形和破坏机理，并在此基础上建立了这类岩体的初裂强度和贯通破坏强度准则，将计算结果与实测值进行了对比分析，表明两者吻合较好，证明该强度准则是合理可靠的，具有理论和工程应用价值。     

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。     

非连续变形分析(DDA)方法中的预应力锚杆模拟

建立了预应力锚杆在DDA程序中的表达形式,并加入到DDA程序中.作为验证,计算了两个算例,用以模拟无锚杆、有锚杆(不同预应力值)条件下节理岩体的稳定情况,模拟结果体现了预应力锚杆对节理岩体的加固作用,而且随着预应力值的增大,这种加固作用也越明显,表明作者对预应力锚杆的模拟是正确的.     

模拟脆性材料动态裂纹扩展的非连续变形分析方法

非连续变形分析方法(DDA)属于隐式离散元法,通过引入虚拟节理可以模拟材料从连续到破坏全过程.尝试将DDA方法应用于脆性材料动态裂纹扩展问题.采用基于Voronoi多边形离散的DDA方法进行模拟.由于Voronoi多边形会存在较多短边,采用原始DDA程序计算时短边会优先发生破坏.针对该问题通过引入均布弹簧算法,在一定程...     

断续节理扩展算法在隧道围岩稳定分析中的应用

利用虚节理力学性质参数弱化函数,在 Jennings 强度准则基础上 提出了应用于非连续变形分析计算的断续节理强度形式;然后,将虚节理力学性质参数弱化规律和断续节理强度表达式运用于非连续变形分析计算程序中,实现了对断续节理扩展过程的模拟算法 ;并通过剪切试验计算结果与室内试验结果的比较,验证了该算法的正确性。利用该算法对节理岩体中金鸡山隧道进行了围岩稳定性分析,分析结果客观反映了节理展布特征对隧道围岩的变形影响和节理岩体隧道围岩位移分布特征,表明了断续节理扩展算法在隧道围岩稳定性分析方面具有良好的应用前景。     

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

强度折减DDA法及其在边坡稳定分析中的应用

 在自行研制的非连续变形分析程序中实现自动强度折减法以模拟边坡的稳定性和安全系数。针对强度折减有限元法收敛标准的不确定性,通过分析滑块在边坡上的稳定性,提出以边坡滑移位移与强度折减系数曲线的最大曲率所对应的折减系数为边坡安全系数的判别标准,该判别标准克服了“位移突变准则”不准确的缺点;并基于该判别标准,分析水库岩体边坡的稳定性并得到岩体边坡安全系数随库水位变化的规律;最后对小湾某高边坡进行开挖模拟及开挖后边坡的稳定性进行计算分析。     

DDA数值方法在岩质边坡倾倒破坏分析中的应用

倾倒是岩质边坡失稳的典型破坏形式之一，而常规的滑动极限平衡分析方法不适宜用于这类边坡的稳定分析。长期以来，Hoek和Bray著《岩石边坡工程》中介绍的Goodman和Bray提出的基于极限平衡原理的分析方法(以下简称G-B法)，一直是研究这类问题的主要手段之一，但对其合理性仍有待验证。采用当前国际上发展的一种最新数值分析方法一非连续变形分析(DDA)，结合一典型算例对该方法进行验证，对倾倒破坏的失稳变形机理进行分析研究，指出了采用G-B法可能出现的问题。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

一般自由面上多面节理生成、节理块切割与关键块搜寻方法

首先介绍传统的块体理论近来的发展、应用与局限。块体理论限于研究岩石开挖表面上的可移动块体。采用切割法找到所有组成岩体的任何块体，基于裂隙的平均长度与平均间距，引进产生三维裂隙多边形的统计方法。基于裂隙多边形，介绍切割三维块体的一般方法。给定一个移动方向，提出搜索关键块体的一般方法。岩体的边界可以是任何自然岩石边坡与人工开挖的任何岩体表面。该方法适用于统计产生的分组裂隙与人工输入的个体裂隙，所引进的方法属于三维非连续变形分析的切割程序DC的应用。     

压裂酸化中近缝区灰岩强度弱化效应试验研究

采用静态高温酸蚀试验和常规岩石力学试验,探讨胶凝酸对于灰岩的强度弱化效应,给出灰岩的应力-应变曲线,分析灰岩的破裂特征。试验结果表明,在与相同配方的胶凝酸反应后,灰岩弹性模量大幅降低,泊松比略有上升,单轴强度约为酸蚀前的20%,强度弱化效应明显;在反应过程中,基质型灰岩和裂缝型灰岩在反应速度、刻蚀模式上存在明显差异。在与相同配方的胶凝酸反应过程中,塔中裂缝型灰岩的反应速率约为轮古基质型灰岩反应速度的3倍。在与胶凝酸反应过程中,裂缝型灰岩的刻蚀模式为局部深度刻蚀,基质型灰岩的刻蚀模式为表面均匀刻蚀。该项研究可为现场酸压设计及优化提供有效的技术参数,具有重要的工程意义。     

DDA子块体开裂模拟算法的优化与验证

非连续变形分析(DDA)是计算离散可变形块体系统力学响应的数值计算方法,其在连续岩体开裂破坏模拟中的应用也已得到研究。在以往的预离散子块体DDA开裂模拟方法中,通过采用虚拟节理对子块体进行粘结以模拟连续体的变形,进而根据虚拟节理面上的块间接触力判断沿预设节理面的拉伸或剪切破坏。该算法能够较好的模拟岩体的开裂路径和破坏形态,但受预设虚拟节理面方向对块间接触力大小的影响,由此得到的岩石开裂强度与实际之间可能产生较大差异。本研究不再根据块间接触力进行开裂判断,而改进为根据邻近子块体的应力状态进行开裂判断,并仍假定裂纹沿虚拟节理面产生。用新的DDA程序对压缩载荷作用下圆盘试件的拉伸开裂破坏和方形试件的剪切开裂破坏进行了模拟。算例表明,改进后的开裂算法具有高的开裂计算准确性,并大大减小了预设虚拟节理分布对开裂破坏强度及破坏路径模拟结果的影响。     

非贯通节理Jennings强度准则的岩桥弱化和节理面起伏角修正

 通过对具有不同粗糙程度(以节理面起伏角表示)的共面非贯通人工节理进行不同法向应力水平下的直剪试验,研究节理面起伏角对非贯通节理剪切强度的影响,分析在剪切过程中岩桥力学参数的弱化机制。现有Jennings准则将岩桥视为完整岩块,计算所得的剪切强度与直剪试验结果存在较大偏差。在试验结果的基础上,考虑剪切过程中岩桥力学参数的弱化和节理面起伏角的影响,对Jennings准则进行修正。将修正Jennings准则计算的非贯通节理剪切强度结果与直剪试验结果对比,结果表明：修正Jennings准则的计算结果与试验结果吻合较好,能较好地预测具有规则起伏角的非贯通节理剪切强度。     

三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法，目前在二维问题的计算中应用较多，但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用，因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难，就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析，指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上，给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明，该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题，能够正确判断三维块体之间的接触关系，从而模拟块体之间的错动滑移过程。