有限长岩柱中纵波传播规律的离散元数值分析

以节理岩体等效刚度的概念为基础，讨论了离散元刚性块体模型中节理刚度的选取问题。采用面－面接触模型模拟了纵波在一维岩体中的传播，给出了纵波波形；研究了阻尼比、软弱夹层以及节理间是否对可拉对波传播规律的影响。     

柱面波在含节理岩体中传播的UDEC模拟

柱面波是岩体工程爆破中常见的波动形式之一,研究其传播规律对于岩体工程开挖及地下结构安全有重要意义。首先,采用离散元程序UDEC对柱面波在含线弹性节理岩体中的传播特性进行数值模拟研究。建模时通过在模型底部设置半圆柱状空腔实现柱面波的加载。之后,分别对无节理以及含单个节理的岩体中柱面波的传播进行模拟,并将数值结果与相应的理论结果进行对比,结果表明,UDEC能够准确有效地模拟柱面波在节理岩体中的传播。然后,分析节理刚度、入射波频率和监测点位置等因素对单节理岩体中柱面波透反射系数的影响规律。参数研究表明,监测点的位置变化会通过影响波的几何衰减和改变波的入射角度共同影响柱面波的传播特性;节理刚度在一定范围内会对透反射系数有显著影响,当刚度取值较大时影响较小,此时应力波主要以透射为主;频率影响分析再次印证了节理通低频、阻高频的特性。最后,对柱面波在一组节理中的传播特性进行研究,并且对影响波传播的因素展开分析。结果表明,节理间距和节理数量共同影响着波的传播特性。     

离散元法在节理岩体爆破振动分析中的应用

采用自编的离散元刚性块体计算程序,模拟了不同药量时节理岩体中集中药包的爆破过程,计算所得垂直振动速度波形和频谱基本上满足试验测定波形的特点.对计算得到的最大垂直运动速度幅值和频谱进行拟合,结果与试验数据吻合较好.同时,计算结果显示,振动波与节理走向的夹角不同,垂直运动速度波幅值和主频的衰减规律也有所不同,这与真实岩体中波传播特性相符合.     

应力波在充填节理岩体中传播规律的数值研究

通过离散元数值模拟对应力波在含一组平行充填节理岩体中的传播规律开展研究,并应用等效介质模型对应力波在含多条小间距充填节理岩体的传播规律进行分析。首先,通过数值模拟结果与理论结果的对比,验证UDEC模拟应力波在单个充填节理处的传播规律的可行性。然后将UDEC模型进行扩展研究应力波在含一组平行充填节理的岩体中的传播规律,并对充填厚度、节理间距、节理数量展开参数分析。研究发现,随着充填厚度的增加,对于不同的节理间距和数量,透射系数均减小,而节理数量对透射系数的影响与节理间距有关。存在2个临界值将节理间距对透射系数的影响规律划分为3个不同区间,当节理间距足够大时,透射系数趋于稳定,且稳定值与节理数量呈指数函数关系。最后,当节理间距较小时,采用一维等效介质多条充填节理进行分析,并对入射波频率、充填材料特性、充填厚度以及节理数量展开了参数分析对比,结果表明一维等效介质可用于简化应力波在多个小间距的充填节理中的传播计算。     

节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究EI北大核心CSCD

为探讨岩体的节理接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置开展试验研究,分析不同接触面积比的节理的动态力学特性以及节理的接触面积几何分布对应力波传播特性的影响。人工切槽的岩块与完整岩块组合得到不同接触面积比的节理岩块作为试样。通过一系列的实验,得到以下的结论:节理的接触面积比、接触面积分布和冲头冲击速率不仅影响节理岩块的动态力学特性而且影响应力波的传播。应力波的透射系数与冲头冲击速率、节理面大小及相对密集度(即接触面分布离散和接触面分布紧凑)有关;当节理接触面的几何相对密集度一定时,应力波透射系数随着节理接触面积比的增大呈线性增长,且透射系数随冲头速率的增大而增大;此外,相对于节理接触面积小但分布离散的岩体,应力波通过接触面积大、分布紧凑的节理的衰减更为明显。     

节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究

为探讨岩体的节理接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置开展试验研究,分析不同接触面积比的节理的动态力学特性以及节理的接触面积几何分布对应力波传播特性的影响。人工切槽的岩块与完整岩块组合得到不同接触面积比的节理岩块作为试样。通过一系列的实验,得到以下的结论:节理的接触面积比、接触面积分布和冲头冲击速率不仅影响节理岩块的动态力学特性而且影响应力波的传播。应力波的透射系数与冲头冲击速率、节理面大小及相对密集度(即接触面分布离散和接触面分布紧凑)有关;当节理接触面的几何相对密集度一定时,应力波透射系数随着节理接触面积比的增大呈线性增长,且透射系数随冲头速率的增大而增大;此外,相对于节理接触面积小但分布离散的岩体,应力波通过接触面积大、分布紧凑的节理的衰减更为明显。     

不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

模型参数对3DEC动态建模的影响

与其他数值软件一样，用三维离散元程序（3DEC）模拟虑力波在节理岩体中的传播和衰减时，模型参数对模拟结果有很重要的影响。用3DEC对2个例子进行模拟分析：（1）一维正弦波在无节理的有限长岩杆中的传播；（2）一维正弦波在含一节理的有限长岩杆中的传播。探讨了单元网格尺寸、边界条件、节理刚度、节理本构模型和节理有无抗拉强度等对3DEC动态模拟结果的影响。研究结果表明：（1）单元尺寸对计算精度和计算耗时有很太影响；（2）粘性边界条件基本上可消除应力波在自由边界上的反射；（3）节理法向刚度和节理有无抗拉强度对应力波的传播有重要影响，透射系数随法向刚度的增大而增大，而反射系数则因压缩波和拉伸波而不同，压缩波的反射系数随法向刚度的增大而减小，当节理无抗拉强度时，拉伸波的反射系数与法向刚度无关；（4）连续屈服模型对透（反）射系数的影响与无抗拉强度的常刚度模型相似。     

非线性节理模型对应力波传播影响的数值分析

 为验证离散元软件UDEC模拟P波在含有一组非线性节理岩体中传播的有效性,采用UDEC中内置的非线性节理模型计算2个算例,并与已有的理论结果进行对比,吻合较好。其次,从角度和间距2个方面讨论对称交叉节理对应力波传播规律的影响。结果发现,与平行节理相比,相同角度和间距下交叉节理对应力波的衰减作用更大,夹角越大,透射系数越小,间距对透射系数的影响与平行节理有相似的趋势。最后,对P波在含有交叉节理区域的岩体中的传播规律的影响因素进行参数分析,分析的参数包括节理与应力波传播方向的夹角?,2组节理的夹角?,2组平行节理间距S1,S2以及区域宽度L等。结果表明,?与?对透射系数的影响存在区间性。交叉节理的间距对P波的传播影响与平行节理有类似的规律。此外,随着节理区域宽度的增加,透射系数大幅度减小后,减小速度变缓,采用反比例程式对结果进行拟合,结果较好。     

节理粗糙度对应力波传播的影响研究

考虑节理吻合程度,分析节理粗糙度对应力波传播和节理岩石力学特性的影响规律。使用分离式霍普金森压杆对预制节理试样进行冲击压缩试验,定性研究节理吻合程度对应力波传播的影响,采用投影覆盖法分析节理面,探究分形维数对应力波传播的影响规律。由劈裂试验获得粗糙节理面试样,2个标准试样组合得到光滑节理面试样。试验中控制子弹速度保证入射波的相同,得到以下结论:光滑节理试样的透射系数和等效刚度与完整试样相比衰减约2.1%,表明光滑完全吻合节理对应力波传播影响不大;节理吻合程度相同时,节理粗糙度越大(分形维数2.088～2.214),应力波穿越节理试样的透射系数和等效刚度越小,其中等效刚度近似呈线性减小,透射系数呈二次曲线减小;节理粗糙度相同(分形维数)时,节理吻合程度越小,节理应力波透射系数和试样等效刚度越小,表明节理吻合程度是应力波传播的重要影响因素。     

Responses of jointed rock masses subjected to impact loading

Impact-induced damage to jointed rock masses has important consequences in various mining and civil engineering applications. This paper reports a numerical investigation to address the responses of jointed rock masses subjected to impact loading. It also focuses on the static and dynamic properties of an intact rock derived from a series of laboratory tests on meta-sandstone samples from a quarry in Nova Scotia, Canada. A distinct element code (PFC2D) was used to generate a bonded particle model (BPM) to simulate both the static and dynamic properties of the intact rock. The calibrated BPM was then used to construct large-scale jointed rock mass samples by incorporating discrete joint networks of multiple joint intensities into the intact rock matrix represented by the BPM. Finally, the impact-induced damage inflicted by a rigid projectile particle on the jointed rock mass samples was determined through the use of the numerical model. The simulation results show that joints play an important role in the impact-induced rock mass damage where higher joint intensity results in more damage to the rock mass. This is mainly attributed to variations of stress wave propagation in jointed rock masses as compared to intact rock devoid of joints.     

三维块体离散元可变形计算方法研究

 在三维刚性块体离散元的基础上,研究可变形块体离散元方法,并编制相应的可变形块体离散元程序。该方法把块体单元看作弹性体,并对其划分有限元网格,对每个可变形单元的计算是假设在力边界条件下求解可变形单元的节点位移;可变形块体之间力和位移的传递是通过构筑的节理单元实现的,节理单元反应岩土工程中实际节理的变形性质和强度特征,结构面破坏前,体现了连续介质计算方法的特点,结构面如果发生破坏,预设节理处的节理单元直接转变化为法向和切向弹簧,体现了离散元计算方法的特点。另外,节理单元有实际的厚度,可以根据实际节理的性质确定计算参数,这一点也体现出了对刚性块体离散元方法的改进。与刚性块体离散元方法比较,该方法可以反映岩体变形性质,如泊松效应、三维岩体中的真实波速,它还可以模拟结构面的破坏演化过程;与有限元方法比较,它可以更好地描述岩体中节理的特征,允许单元有较大的位移;相对于以前的可变性离散元方法,它既克服了有限差分格式带来计算上的复杂,又建立在三维模型的基础上,为有关岩土工程的数值分析提供了一个可行的数值方法。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴，双轴载荷作用下，裂隙扩展，贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。     

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。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

深部裂隙岩体中弹性波传播与衰减规律试验研究

为研究深埋裂隙岩体中弹性波的传播与衰减规律,采用室内模型试验,得到弹性波在深部裂隙岩体中传播时的波速值及首波波幅值随地应力变化的曲线,并对试验过程中弹性波的传播与衰减规律进行分析,对裂隙岩体中弹性波的波速增量、衰减程度与围压、裂隙数量、裂隙分布角度之间的关系进行了探讨和拟合。试验研究结果表明:在三轴压缩试验中,当围压一定而轴向压力增加时,弹性波波速值的变化经历快速增长、缓慢增长、基本稳定、快速降低4个阶段,并在轴向应力达到峰值强度的60%时,波速值迅速下降,因此可判断该点为岩体中裂纹开始扩展的起始点,同样首波波幅值的衰减程度也呈现出类似变化规律;在三轴拉压试验中,当围压一定而轴向拉力增加的过程中,弹性波波速值不断降低,波幅值的衰减程度也是不断增强。围压、裂隙角度、裂隙数量对弹性波的传播速度和衰减程度均产生一定影响,影响程度的敏感性为:裂隙数量围压裂隙角度。     

Experimental and numerical analyses of an opening in a jointed rock mass under biaxial compression

Tunnel construction in a rock mass produces damage around the tunnel by concentration of in situ stress and by construction activity such as blasting. The generated damage changes the mechanical and hydraulic properties of the rock mass. In this study, the rock fracture and joint sliding behaviors of jointed rock masses with an opening under biaxial compression are investigated through experimental and numerical analyses. The tested rock models have a persistent joint set with dip angles of 30°, 45°, and 60° to the horizontal. Under the applied biaxial compression, tensile crack initiation and propagation are the dominant fracture behaviors around the hole in a low joint dip angle rock model (i.e., 30° to the horizontal). The propagation direction of the tensile cracks is roughly normal to the joint surface, and with propagation of tensile cracks, removable rock blocks are generated. The experimental results are simulated using a discrete element code. The numerical analysis simulates several aspects of rock mass cracking and the joint sliding processes around an opening: progressive fracture behaviors in a low joint angle rock model, abrupt initiation and propagation of tensile cracks and joint sliding in a high joint angle rock model (i.e., 60° to the horizontal), propagation of tensile cracks normal to the joint surface, generation of removable blocks in rock segments, an increase of lower hoop stress threshold inducing tensile fractures with a decrease in the joint angle, and an increase of the damage zone around the hole with a decrease in the joint angle.     

某电厂节理岩质边坡抗震稳定验算

本文采用三维离散元数值分析软件分析了岩质高边坡稳定性。结果表明,三维离散元法可以较好地模拟岩质边坡节理分布、楔形体滑动及岩块崩落的过程。采用锚杆对破碎岩体进行加固后,能满足抗震的稳定要求,锚杆受力合理。