含一组贯通节理岩体强度的各向异性分析

节理岩体是一种连续和非连续介质共存的地质体,其强度具有显著的各向异性,为了研究岩体强度的各向异性特征,基于能统一处理连续和非连续问题的数值流形方法(NMM),编制弹塑性NMM计算程序,并对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟.计算结果表明:当节理倾角较小岩体不沿节理滑移破坏时,岩体强度仍会受到节理的削弱而降低;岩体强度-节理倾角曲线呈现出非对称的"勺形";岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数变化规律;节理间距对岩体强度的影响具有各向异性;岩体强度的各向异性随着围压增大而减弱.通过对数值计算结果进行回归分析,基于新的节理分布参数,提出适用于含一组贯通节理岩体的强度预测模型.该模型综合考虑了节理倾角、节理间距和围压对岩体强度的影响,可更好地为地下工程提供技术支持.     

尺寸效应和各向异性影响下岩体力学特性

目的 研究试样的尺寸效应和由于节理存在引起的各向异性对岩体的力学特性的影响.方法 基于应变软化模型和遍布节理模型,通过多组岩体试样的单轴压缩试验和三轴试验数值模拟,对试样峰值强度和应力应变关系进行对比分析.结果 岩体轴向峰值强度随岩体尺寸增大而减小,峰后残余强度却相应增大;节理倾角与45°+ Φ/2(Φ为节理内摩擦角)越接近,岩体水平加载与竖直加载峰值强度相差越小.一组节理时,岩体节理面与加载面夹角在45°～75°,峰值强度最小,围压增加,岩体峰值强度增加,但增长速率逐渐变缓.结论 岩体单轴压缩峰值强度、峰后残余强度和塑性区形态受岩体尺寸效应影响较大;在节理岩体中,岩体抗压性能受节理倾角及围压影响较大.     

柱状节理岩体宏观等效强度参数的柱体尺寸效应

为研究柱状节理岩体柱体尺寸对岩体等效强度参数的影响,以金沙江白鹤滩水电站工程为背景,结合相关岩石力学试验方法,建立柱状节理岩体三维离散元模型.提出随机柱体平均大对角线长尺寸控制方案,并对柱状节理岩体进行三轴压缩试验数值模拟研究.研究结果表明,采用的随机柱状节理岩体尺寸控制方案能够合理描述尺寸效应对等效强度参数的影响,柱体尺寸的变化对与柱体垂直加载方向的等效强度参数影响较大,这是主要影响因素;四棱柱形柱状节理岩体错距变化对与错距平行的岩体等效强度参数产生较大影响,对其他2个方向的等效强度参数影响较弱,这是次要影响因素.在此基础上推导出柱体尺寸与岩体等效强度参数的关系,研究结果为工程实践中等效力学参数的确定提供了相关参考.     

围压对节理岩体变形破坏行为的影响（英文）

节理岩体的力学特性对于工程岩体的安全至关重要。为了更好的掌握节理岩体的变形破坏规律,采用离散元程序对不同围压作用下的断续节理岩体进行了模拟实验研究。首先,以室内试验数据为基础,标定了能够反映节理试件宏观力学行为和变形破坏特征的数值模型细观参数。然后,研究了节理倾角和围压对节理试样应力应变曲线、破裂模式和接触力分布的影响规律。结果表明：试件的抗压强度和弹性模量随围压的增加而增加,随节理组倾角的增加呈现出先减小后增大的变化趋势;不同节理组倾角下试件的强度和弹性模量对围压的敏感性不同,其中节理组倾角为90°时影响最小;在低围压下,试样的破坏模式由节理组倾角控制;随着围压的增大,拉裂缝的萌生和扩展逐渐受到抑制,破坏模式由拉破坏向剪切-压缩破坏转变。最后,进一步探讨了预应力锚固支护对工程裂隙岩体的加固作用。     

不同结构面倾角节理岩体三轴试验力学特性

为了掌握贯穿型节理岩体的变形和破坏规律,对人工制备的不同倾角模拟节理岩体圆柱试样进行了系列静力三轴试验,得到了相关的应力应变曲线结果和破坏特征,进而分析了结构面倾角对节理岩体试样力学特性的重要影响.结果表明:1)随着结构面倾角的变化,节理岩体试样的应力应变曲线将不全为典型的四阶段曲线,在结构面倾角较大时结构面的变形特征十分显著,峰前曲线发生了明显转折,结构面变形占据了主导作用.2)峰值强度、残余强度和峰前线性阶段变形模量随结构面倾角增大而单调降低,而试样的脆性和剪胀性强弱、压密阶段的变形模量以及体胀、体缩量最大值等与结构面倾角的变化关系则均为非单调的.3)结构面的倾角大小影响了其与基质的相互作用规律,使得结构面或基质或者两者一起控制了节理岩体试样的变形、强度和破坏,从而形成了节理岩体试样显著不同的变形、强度和破坏特征,其变形和强度各向异性与破坏模式随结构面倾角变化而不同.     

节理岩体隧道围岩塑性区范围研究

为了研究浅埋偏压条件下节理倾角对隧道围岩变形的影响,选择地形偏压的浅埋隧道为研究对象,采用遍布节理模型来模拟岩层的各向异性特征,分7组不同节理倾角工况对地形偏压隧道进行数值模拟,分析不同工况下隧道围岩的变形量和塑性区,结果表明:随着节理倾角的增大,隧道垂直方向的变形表现出先减小后增大的趋势,水平方向的变形表现出先增大后减小的趋势;当节理倾角为15°时,隧道垂直方向的变形量和水平方向的变形量最小;当节理倾角为60°时,隧道水平方向的变形量最大.随着节理倾角改变,围岩塑性区范围随之发生变化,当节理倾角为15°时,隧道围岩塑性区范围最小,隧道最为稳定.     

基于UDEC节理岩体抗压强度的数值研究

通过对江西某矿区岩样进行岩石力学试验,得到岩石试件的力学参数,利用Hoek-Brown法估算岩体力学参数。基于分形理论,结合Monte Carlo方法生成节理岩体平面网络图,以岩体网络图中心为基点,选取节理岩体模拟试件,采用离散元软件UDEC开展节理岩体抗压强度的数值实验。结果表明：选取角度、围压相同时,随着岩体尺寸的增大,节理岩体各向异性减弱,抗压强度呈非线性减小趋势,并趋向于某一定值,可拟合为负指数变化关系;围压、尺寸相同时,随着选取角度的增大,节理岩体抗压强度呈微幅波动趋势,这应与节理分布的分形特性有关。取样角度（所截取的岩体试件与水平方向的夹角）为60°时,抗压强度值略高,节理岩体尺寸效应与围压效应也较为明显;选取角度、尺寸相同时,随着围压的增大,岩体各向异性减弱,抗压强度呈线性增大趋势。     

节理分布对岩体破坏影响的数值模拟研究

为研究含断续节理岩体的宏观破坏过程和特征，采用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，分析了断续节理岩体中裂纹的产生、扩展机理与过程．结果表明，当节理倾角从30°，45°到60°时，岩体强度从小到大增加，并且破坏前期的声发射现象增强、变形增大；随着节理密度的增大，裂纹的产生从互不影响到相互抑制，裂纹扩展长度减小；中间节理受压剪作用很快与相邻节理贯通导致节理岩体破坏．据此，明确界定断续节理产生贯通破坏的范围就是围岩破裂区．     

基于长期强度的节理岩体洞室蠕变特性研究

为了进一步探究节理岩体蠕变特性,摆脱传统意义上从宏观弹塑或粘弹塑本构的角度分析岩体流变特性的方法,将细观单元视为弹脆性的本构关系,采用考虑岩石长期强度的岩石破裂过程分析系统,通过对不同工况下的节理岩体洞室数值模拟,得到了节理间距和节理夹角对围岩蠕变特性及其破坏特征的影响规律。结果表明：节理岩体洞室围岩的蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的水平夹角小于45°时,节理岩体洞室围岩蠕变量随着节理面夹角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小,当节理面倾角等于45°时,围岩出现大量破坏,并表现出加速蠕变的特征。     

不同倾角节理岩体损伤演化特征分析

为研究节理倾角对岩体损伤的影响规律,运用损伤力学理论建立考虑节理与荷载共同作用的岩体损伤演化模型及损伤本构模型;通过单弱面理论对模型试验进行验证,同时探讨节理岩体损伤演化特征.结果表明:单弱面理论结果与试验结果较为吻合,模型试验能较好地表征含单一结构面的岩体在荷载作用下的力学特征及损伤演化规律;当节理倾角从0增大到90°过程中,初始节理损伤先增后减,在倾角为60°时至最大值,总体呈倒"U"型分布规律;不同倾角节理岩体总损伤演化规律基本一致,均呈"S"型分布规律,先缓慢增加,而后快速增加,最后再缓慢增加其值趋于1;节理倾角只影响总损伤率数值大小不影响其演化规律,总损伤率随应变增加呈正态分布;总损伤率受控于节理面分布规律,当节理倾角从0增大至90°的过程中,总损伤率先减小后增大.     

双节理岩体TBM滚刀破岩过程数值模拟

为了研究节理特征对全断面掘进机(tunnel boring machine, TBM)盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒流方法建立盘形滚刀与含平行双节理岩体的二维数值模型,进行不同节理倾角和间距的30组数值试验,根据数值试验结果研究岩体破裂模式、滚刀竖向接触力峰值随节理倾角和间距的变化规律、滚刀破岩过程中细观裂纹扩展规律。研究结果表明:不同的节理特征下,滚刀破岩可以分为4种基本的破裂模式;滚刀竖向接触力峰值随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,在节理倾角为30°或45°时最小,在节理倾角为90°时最大;滚刀竖向接触力峰值随节理间距的增大总体上呈现增大趋势;随滚刀的贯入,滚刀竖向接触力与细观裂纹个数有3个关联的变化阶段。通过研究TBM滚刀与节理岩体相互作用机制,揭示不同节理特征对滚刀破岩的影响规律,对TBM滚刀的合理设计和施工有一定的指导意义。     

等效节理岩体表征单元体研究

岩体力学参数具有表征单元体(REV).以特大型露天矿内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,根据现场节理测线法调查与室内岩石力学试验,将随机节理三维网络模拟技术与块体离散元分析方法相结合,构建了反映节理真实空间状态的多尺度等效节理岩体模型.通过数值试验得出了各尺度等效岩体单轴压缩应力-应变曲线,研究了岩体的单轴压缩力学性质及力学参数表征单元体.研究表明:随着等效岩体尺度增大,岩体峰值强度、变形模量和残余强度逐渐减小,当尺度增大到15~20m时趋于恒定,进而得到研究对象的岩体表征单元体为15m×15m×15m,该尺度岩体的单轴抗压峰值强度和变形模量分别为0.67 MPa,22.0GPa,为后续岩体工程稳定与安全评价提供了基础数据.     

柱状节理岩体横观各向同性本构关系研究

采用复合材料力学方法,针对柱状节理岩体考虑节理交错、层内错动带及柱轴偏转等因素建立了横观各向同性本构模型,对其等效弹性参数进行了系统分析,并根据某拟建水电站坝址区玄武岩体原位试验资料,探讨了层内错动带和节理等因素对弹性参数的影响.研究表明：坝址区分布的层内错动带对柱状节理岩体弹性参数影响较大,在垂直于层内错动带方向上弹性模量减小了50%以上;柱状节理倾角影响也比较明显,在倾角为15°时,等效弹性模量下降低约19%.该方法可以完善描述柱状节理岩体各向异性变形特征和规律,揭示了原位测试水平向弹性模量大于铅直向的原因.     

节理岩体断裂破坏强度计算及工程应用

由于地质构造的影响 ,节理岩体通常处于压剪应力状态 .本文根据压剪应力场中节理裂隙扩展断裂破坏机制 ,通过附加张应力研究了节理扩展相互作用对岩体断裂强度的影响 ,推导出了节理岩体的断裂破坏强度计算公式 ,并将该强度模型用于指导一大型山体隧道工程的设计和施工 ,取得了显著效果 .     

含断续节理脆性岩体灌浆效果研究

本文针对含断续节理天然岩体灌浆前后不同节理接触度,运用断裂力学理论建立相应的岩体抗剪强度分析模型。并用有限单元法研究了节理面不同接触度条件下岩体沿节理面方向综合抗剪强度参数的变化,从而定量地给出了灌浆效果与岩体强度的相互关系。     

非连通预制节理试件力学特性试验研究

为了研究节理几何特征的变化对岩石力学特性的影响,设计了具有不同节理连通率和不同节理倾角的试件,通过常规三轴压缩试验,分析了围压、节理倾角和节理连通率对试件强度以及变形和破坏特征的影响。岩样破坏形态分为穿越节理面的压剪破坏、沿节理面剪切滑动和节理端点处拉裂的混合破坏、完全沿节理面的剪切破坏。结果表明:围压、节理几何参数对试样的力学特性产生了不同程度的影响。通过节理参数的敏感性分析可以得出,节理倾角对试件强度的影响较节理连通率更为显著,节理连通率与破坏形态之间联系更为密切,围压对于试件承载力和变形参数值波动的影响较为明显。研究成果对认识非贯通节理岩体的力学特性有一定的参考作用。     

层状岩体受压力学特征结构面效应数值分析

煤层底板岩体是沉积岩,具有显著的层状结构特点。为研究层状岩体压缩强度的结构面效应,通过FLAC3D数值软件,结合改进的遍布节理本构模型,建立层状岩体压缩数值模型,分析单轴、三轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明：层状岩体压缩强度具有显著的结构面倾角效应。随着倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈现先减小后增大的趋势。当结构面倾角为40＆#176;～80＆#176;时,岩体强度整体较低,破裂面主要沿结构面展开。数值试验和理论分析反映的岩体强度随结构面倾角变化规律一致。层状岩体弹性模量沿平行于结构面方向最大,而垂直于结构面方向最小,并随结构面与水平面之间夹角的增加而增大。     

隧道围岩岩体变形破坏数值力学试验

该文通过对围岩岩体开展数值力学试验,在确定连续微元尺寸δc,并获取该围岩岩体各项基本力学参数的基础上,进一步研究了该围岩岩体的破裂过程,重点讨论了该围岩含单条横向节理和单条竖向节理岩体的变形破坏特征。     

基于隧道掘进机掘进过程的岩体状态感知方法

针对现有技术无法预先、实时获取隧道掘进机（TBM）掌子面岩体状态参数的问题,提出基于TBM掘进过程监测的岩体状态感知方法. 以吉林引松供水工程TBM施工隧道为依托,分析TBM掘进过程中掘进参数的变化规律,建立TBM掘进参数与岩体参数数据库,研究TBM设备参数和在掘岩体参数之间的相互关系. 分别采用分步回归和聚类分析的方法建立岩机关系模型,利用监测TBM掘进参数实时感知岩石强度、体积节理数和围岩等级等参数. 以石灰岩和花岗岩地层为例,对TBM在掘岩体参数的预测值与实际值进行对比. 结果表明,利用提出的岩体状态感知方法预测的岩石抗压强度UCS和体积节理数与实际值的误差小于18%,预测当前围岩等级与实际岩体状态基本一致,验证了研究结果的准确性.     

含层状节理岩体力学性质数值模拟研究

采用GDEM软件分析不同角度下平行层状节理岩体力学性质,探讨节理角度与加载方向夹角的变化对试件破坏模式的影响,采用工程常见的不同层间岩体材料建立平行层状节理模型,通过静载单轴压缩、双轴压缩和纯剪切3种加载方式,分析此类岩体模型在不同倾斜角度情况下破坏形式、加载过程应力应变关系和峰值载荷变化趋势。分析结果表明平行层次节理岩体的力学性质和峰值强度与节理倾角有直接关系,并通过模拟发现在3种加载情况下平行层次节理岩体表现出明显的弹脆性力学的特点。