含交叉裂隙类岩石试样物理力学特性试验及其RFPA模拟

为探究含交叉裂隙试样在单轴应力下的物理力学特性,制备了与岩石力学性质相似的类岩石材料,利用预制树脂片法模拟了不同倾角交叉裂隙的情况,对其进行了单轴压缩试验,同时利用RFPA软件对不同工况进行了数值模拟。结果表明,含交叉裂隙类岩石试样在单轴应力下主要有单一裂隙扩展模式、主裂纹扩展贯通模式、次生裂纹扩展贯通模式三种破坏模式;单一裂隙扩展模式与主裂纹扩展模式下,次生裂隙尖端产生剪破坏,主裂纹尖端产生拉破坏,而次生裂纹扩展模式下主裂纹尖端产生剪破坏,次生裂纹尖端产生拉破坏,最终产生的翼裂纹与反翼裂纹属于拉剪破坏;单轴应力下的含交叉裂隙试样应力-应变曲线经历弹性变形阶段、非线性变形阶段、残余变形阶段三个阶段;主裂纹倾角对含交叉裂隙试样的峰值强度起到控制性作用,而次生裂隙仅在主裂纹倾角为0°时对试样的峰值强度有较大影响。     

周期性荷载作用下岩石力学特性数值模拟研究

为研究周期性荷载作用下岩石的力学特性,开展了基于离散单元法(DEM)的岩石疲劳数值模拟试验,通过模拟单轴压缩试验研究了数值模型中微观参数对试样宏观参数的影响,再通过数值疲劳试验研究了砂岩的疲劳变形特性。结果表明,砂岩的疲劳应力—应变曲线受控于单轴应力—应变过程曲线,疲劳破坏时的轴向应变即为周期性荷载最大应力在单轴应力—应变曲线中所对应的峰后部分应变。通过分析砂岩的疲劳渐进破坏过程发现,最大应力和平均应力是影响砂岩疲劳寿命的两个重要因素。研究成果对于了解岩体疲劳破坏机理、合理评价工程稳定性有重要意义。     

含城门洞形裂隙岩体破碎数值分析及机理研究

为研究不同裂纹赋存形式下的含城门洞岩石破碎及裂纹扩展规律,对不同情况下的含裂隙城门洞岩石试样进行单轴压缩数值模拟试验,得到裂纹扩展规律、声发射规律及应力-应变规律。结果表明,根据数值模拟中的声发射规律,主裂纹主要是拉破坏,翼裂纹、反翼裂纹及远场裂纹主要是拉剪复合型破坏;裂隙的存在降低了试样的峰值强度,各组试样(试样B、C、D系列)的平均峰值强度较不含裂纹试样(试样A系列)下降百分比分别为11.3%、7.8%、12.6%;侧边裂纹产生在靠近顶拱处,底边裂纹越靠近边墙,及顶拱裂纹的裂纹角度越低,试样的峰值强度越低,在实际工程中,对于这些位置产生的裂纹应加强防护,防止灾害的产生。     

含预制断续裂隙类岩石材料力学特性试验及数值模拟研究

为了研究含预制裂隙岩石的力学特性,制备不同角度的断续裂隙类岩石试件,对含裂隙岩石试件进行单轴试验,发现倾角40°断续裂隙的单轴抗压强度最大,60°次之,20°最小。使用PFC2D对试验过程进行模拟,并分析试验过程中微裂纹与应力的变化规律,发现岩桥强度对试件单轴抗压强度具有重要影响,通过对比发现数值模拟的应力-应变曲线的变化规律与物理试验结果基本一致。     

基于颗粒离散元岩石模型的熵变规律研究

以岩石单轴压缩试验为基础,借助离散元软件PFC 2D建立岩石破坏的数值模型,将熵变曲线与试样的应力应变曲线、裂缝数量及能量曲线等进行对比分析,以便研究岩石破坏时的熵变规律。结果表明,岩石在破坏过程中,微裂隙的产生会造成熵值的下降;岩石在峰值应力点破坏时,熵值曲线会有明显的下降趋势;在不同围压条件下,高围压试样的初始熵值较高。因此,以熵变规律分析岩石的破坏过程,对岩石的破裂演化具有诊断评价和辅助判断的作用。     

基于颗粒流数值模拟的交叉裂隙岩体剪切力学特征研究

为研究交叉双裂隙岩体在剪切过程中的力学响应机制,利用颗粒流程序PFC2D模拟了含交叉双裂隙试样直剪试验,分析了次裂隙倾角和法向应力对交叉双裂隙试样剪切应力、破坏模式、微裂纹发育及演化、能量转化和接触法向方位角演化规律的影响。试验结果表明,法向应力为1、5、15 MPa时,试样破坏受主次2条裂隙的共同控制,大部分交叉双裂隙试样剪切峰值强度高于单一裂隙试样;法向应力为30 MPa时,试样破坏主要受主裂隙影响,表现为各试样强度相近,由于微裂纹扩展速度不均致使剪应力曲线在峰后呈"台阶"状;剪切过程中,裂隙试样所做边界功和黏结能与峰值强度具有相同的变化趋势,裂隙周围颗粒接触矢量方向向剪切方向发生显著偏转。研究成果有助于理解双裂隙岩体在剪切过程中的力学响应机制,是对双隙岩体力学行为研究的补充。     

含张开单裂隙砂岩破裂过程围压效应的数值模拟

为研究不同倾角裂隙砂岩试样在压缩过程中的围压效应,以室内单轴压缩试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同倾角裂隙试样在不同围压下的破坏过程进行模拟。基于模拟结果,研究了围压对岩样强度、破坏模式及微裂纹发育特征的影响。结果表明,裂隙砂岩试样在压缩过程中具有明显的围压效应,相同裂隙倾角试样,其峰值强度、残余强度、弹性模量和变形模量均表现出随围压增加而增加的规律;不同围压作用下,不同倾角裂隙试样内部微裂纹演化规律相似,且其最终破坏形态均表现出以剪切破坏为主的破裂方式。     

闭合与非闭合裂隙岩石单轴压缩的颗粒流细观分析

为了从细观角度模拟裂隙岩石的破坏过程,利用颗粒流软件(PFC)构建了裂隙岩石的单轴压缩模型,模拟了含非闭合裂隙和闭合裂隙岩石的单轴压缩试验,并分析了裂隙闭合情况和裂隙摩擦系数对裂隙岩石强度和破坏模式的影响。结果表明,裂隙闭合与未闭合对裂隙岩石的破坏特征存在影响,裂隙闭合后,裂隙峰值强度随摩擦系数增大而增大;裂隙岩石宏观张拉破坏面由翼型裂纹扩展贯通形成,宏观剪切破坏面由次生裂纹的扩展贯通形成;当f=0、α ≥ 67.5°或f ≥ 0.75、α = 45°时,翼型裂纹几乎不产生;当f=0、α = 90°或f=1、α = 45°时,裂隙岩石强度和破坏模式接近于完整岩石。     

共面双裂隙对砂岩力学性质和破坏特征的影响

鉴于岩体内部缺陷对其力学性质和损伤断裂破坏有显著影响的问题,通过单轴压缩试验和DIC技术,分析了共面双裂隙类砂岩试样裂隙倾角和岩桥长度对岩石力学性质和破坏的影响。结果表明,随裂隙倾角变化,岩样峰值应力和弹性模量均有明显的变化趋势,相比于岩桥长度,裂隙倾角对岩石的力学性质影响更为显著;随裂隙倾角增加,岩样破坏时表面裂纹数量、主破坏裂纹和表面剥落数量均有减少,掉块面积却有明显增加,而随岩桥长度增加,裂纹扩展和剥落掉块特征基本相同;在裂纹扩展过程中,岩桥的贯通与裂隙倾角和岩桥长度均有关系;在低裂隙倾角时,岩样破坏模式以张拉破坏裂纹为主;随裂隙倾角增加,表现为由张拉破坏裂纹向剪切破坏裂纹转变形成了拉—剪混合破坏模式;同时,随岩桥长度增加,岩桥越难以贯通,裂纹扩展破坏则又由拉—剪混合裂纹向张拉裂纹转变。     

含两条共面非贯通裂隙岩石的单轴压缩特性数值研究

为了解加载方向对含两条共面非贯通裂隙岩石破坏特性和破坏强度的影响,以随机均布Voronoi图为基础,精细化地描述了裂隙岩石的细观结构,生成了7个不同裂隙倾角的数值试件,基于改进刚体弹簧法,对7个不同裂隙倾角的试件进行单轴压缩数值试验,并从宏观和细观两个尺度模拟了倾角不同的7个岩石试件的贯通模式、变形和强度特性。结果表明,当倾角为0°时,共面裂隙不贯通;当倾角为15°、30°、45°和90°时,共面裂隙间接贯通;当倾角为60°和75°时,共面裂隙直接贯通;裂隙岩石在强度上表现出明显的各向异性。     

裂隙岩石直接拉伸断裂破坏的颗粒流模拟分析

针对现有裂隙岩石受拉破坏及强度方面研究的不足,利用二维颗粒流软件（PFC2D）构建了裂隙岩石的直接拉伸试验模型,模拟了含单条裂隙和断续双裂隙试样的直接拉伸试验,并分析了裂隙分布特征对抗拉强度和裂纹扩展特征的影响。结果表明,对裂隙岩石试样,裂隙岩石的抗拉强度随裂隙倾角的增大而增大,随裂隙长度的增大而减小,岩桥倾角和岩桥长度对抗拉强度的影响不大,除裂隙倾角α= 90°外,试样最终破裂面均与预制裂隙搭接。对断续双裂隙岩石试样,岩桥角度和长度对裂隙之间岩桥贯通影响明显,岩桥倾角和岩桥长度增大时,均出现岩桥未贯通现象。研究结论不仅丰富了断裂力学的内容,而且为工程实践提供了借鉴。     

圆盘内裂纹扩展断裂试验及数值模拟研究

鉴于含裂纹的巴西圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,而对含纯封闭内裂纹的巴西圆盘断裂研究较少的问题,开展了含90°三维内裂纹的树脂巴西圆盘试样单轴压缩试验,分析了裂纹扩展过程特征,并基于M积分及最大拉应力准则研究了KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,通过断裂力学有限元软件FRANC3D实现内裂纹扩展全过程模拟。结果表明,含90°内裂纹试样在单轴压缩下裂纹破坏形态为竖直张拉裂纹;达到峰值荷载29.13kN时试样瞬间被劈裂为两半,内裂纹扩展速度达到700mm/s,对试样扩展、破坏形态及断口特征产生显著影响;通过数值模拟得出内裂纹尖端扩展路径,短轴端扩展速率最大,且数值模拟结果与试验相符。     

岩溶含水系统水动力特征研究进展

由于岩溶含水系统的高度非均质和各向异性,很难用地下水动力学方法描述岩溶含水系统的水动力特征。为此从理论、试验和数值模拟三个方面总结了岩溶含水系统水动力学的研究成果,指出目前研究岩溶含水系统流态转化的水动力特征参数(临界水利坡度、临界雷诺数)等尚不深入,并提出今后的主要研究方向是通过物理模型和数值模拟等手段来探求裂隙—管道地下水动力学及岩溶含水系统流态转化的水动力特征参数问题,为深入分析岩溶含水系统水动力特征提供了参考依据。     

基于质点平衡法的混凝土三点弯曲梁破坏过程模拟

针对现有混凝土破坏过程模拟方法存在的不足,将质点平衡法应用于混凝土三点弯曲梁的开裂特性模拟。结果表明,结构自身的应力分布决定裂缝的分布区域,而混凝土内部各组分的力学性能直接决定裂缝细部扩展路径,质点平衡法适合模拟考虑细观结构的混凝土结构的开裂特性。研究成果可为混凝土细观力学特性的研究提供参考。     

基于离散标准节理粗糙度系数曲线的粗糙单裂隙等效水力隙宽的确定

鉴于节理粗糙度、力学隙宽及迹线是影响确定粗糙单裂隙等效水力隙宽的三个关键因素,在既有研究的基础上,将光滑平行板和Barton提出的10条标准节理粗糙度系数曲线数字化,应用Fluent软件对不同节理粗糙度系数和不同力学隙宽模型进行数值模拟,探讨了节理粗糙度系数、力学隙宽、迹线与等效水力隙宽之间的关系。并与立方定理修正公式进行对比,结果表明等效水力隙宽随力学隙宽增大而线性增大,随节理粗糙度系数的增大而减小,并且考虑实际迹线情况的等效水力隙宽较不考虑的大。因此,在实际工程中,可采用所提出的拟合公式判断自然粗糙裂隙的渗透能力。     

基于离散元的岩石断裂尺寸效应及断裂过程区演化特征分析

为了在离散元中研究岩石的非线性断裂过程,基于幂律型位移软化接触模型,针对一系列相似边切槽半圆盘花岗岩的三点弯曲试验进行数值模拟,并分析了其尺寸效应和断裂过程区演化规律。荷载位移曲线的峰后特征表明,随着半圆盘半径的增大,延性破坏逐渐过渡为脆性破坏,而测试结构的强度模拟结果与Baant尺寸效应理论吻合较好。在加载过程中,断裂过程区长度先增大后减小,并在荷载位移曲线的峰后达到最大值,该最大值与结构尺寸密切相关,当试件尺寸足够大,断裂过程区不受边界的约束而充分扩展,可达到饱和长度,而小尺寸试件的断裂过程区扩展会受到边界条件的限制。     

台风暴雨诱发边坡破坏机理与动力演进过程研究

为分析台风暴雨诱发边坡破坏机理，基于4个台风期间实测降雨资料，针对福建某边坡遭遇台风暴雨时的安全状态开展数值模拟，以分析台风暴雨诱发边坡破坏及演进传播机制。对于失稳前的边坡，基于有限元法采用蒙特卡罗法计算边坡实时失效概率、可靠性指数，并揭示边坡渗流场及塑性区的瞬时变化特征。对于失稳后的边坡，基于光滑粒子流体动力学方法，采用基于Drucker-Prager准则的Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)流变模型计算其失稳后大变形行为，进而从滑动速度和堆积特征等方面分析滑坡动力灾变过程。结果表明，降雨是诱发边坡失稳的关键因素，边坡发生失稳后，其前缘滑动速度可达到15 m/s。研究结果可为极端条件下边坡工程的安全预警和防灾减灾提供借鉴。     

液滴蒸发一维数学模型及其在二甲醚喷雾中的应用

描述了液滴蒸发的一维数学模型及其数值求解方法,并且利用该模型首先对单液滴的蒸发过程和定容燃烧室内二甲醚(DME)的喷雾过程分别进行了模拟计算和分析,然后对二甲醚发动机的喷雾燃烧过程进行了数值模拟,并将模拟结果与KIVA程序中原有的Spalding蒸发模型及实验数据进行了对比.结果表明,一维蒸发模型对蒸发过程的描述较Spalding的零维蒸发模型更为真实.     

含预制裂隙的均质岩石巴西劈裂过程数值模拟

基于改进刚体弹簧方法,对均质圆盘试件和预制裂隙圆盘试件的巴西劈裂过程进行了数值模拟,并对比研究了预制裂隙对巴西劈裂破坏形态的影响。结果表明,均质圆盘的巴西劈裂过程分为三个阶段,即加载端开始向下萌生随机裂隙点;裂隙点之间联结发育;主裂隙贯穿试件造成破坏,次生裂隙发育。对于预制裂隙圆盘试件,不同预制裂隙倾角试件的破坏形式基本一致,由于应力集中,裂纹首先从预制裂隙两端萌生,并向加载端扩展,宏观裂纹形成的同时在加载端部也开始产生次生裂隙,次生裂纹的产状随预制裂隙倾角变化而不同。     

含密实填充物的平行双裂隙岩体模型渗透特性试验研究

针对含填充物的双裂隙岩体,利用惰性气体渗透测试系统,在一次围压加卸载下对试样进行渗透率和孔隙度的精确测量,研究了裂隙中填充物及交界面渗透特性随裂隙间距变化的规律。结果表明,单裂隙与双裂隙试样渗透率随围压变化规律大致相同;在加载阶段,随着裂隙间距的减小,裂隙之间的相互作用增大,孔隙度随围压减小的更为显著,而单裂隙孔隙度随围压变化最不明显;随着裂隙间距的增大,各试样渗透率相应减小,而由于单裂隙试样比双裂隙试样缺少两个渗透交界面,因此其渗透率在低围压下远小于双裂隙试样。