单一闭合中心裂隙对岩石单轴压缩破坏特征的影响

利用颗粒流软件模拟了含单一闭合中心裂隙岩石的单轴压缩数值试验,分析了裂隙宽度、闭合裂隙长度、摩擦系数和倾角对裂隙岩石破坏特征的影响。结果显示裂隙闭合与否对裂隙岩石的强度和破坏特征存在影响;裂隙长度越小,裂隙摩擦系数越大,裂隙倾角越接近于0°或者90°时,裂隙岩石破坏特征越接近于完整岩石状态。翼型裂纹和次生裂纹的扩展形成了岩石的贯通破坏面,其中翼型裂纹表现为Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面,次生裂纹表现为Ⅱ-Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面。     

开挖扰动对裂隙岩质边坡损伤的影响

岩体可视为非均质的多相复合结构,其内部存在各种天然裂隙。基于连续介质损伤力学及断裂力学理论,分别分析弹性阶段的初始损伤和开挖造成裂隙扩展的损伤,推导出裂隙岩体弹塑性损伤本构关系;通过二次开发将弹塑性损伤本构方程程序化,编译FLAC3D自定义裂隙岩体弹塑性损伤扩展本构模型。应用自定义本构模型对广西凤山县石灰岩矿山边坡进行数值模拟分析,结果表明:边坡中上部损伤度较高,两步开挖后产生较大的位移,即边坡中上部裂隙存在扩展贯通进而发生滑移的可能,应对该区域进行系统的锚固。     

断层力学与几何参数对岩质边坡稳定性的影响

采用FLAC^3D强度折减法并对比slide极限平衡法,分别研究断层破碎带岩土体的泊松比、抗拉强度、内聚力和内摩擦角等力学参数及断层的断距、厚度、倾角、相对临空面的距离等几何参数对岩质边坡破坏模式和稳定性的影响。结果表明:边坡的稳定性随内聚力的增大而增大,且基本不受泊松比和抗拉强度的影响,2种方法得出的内摩擦角对边坡的稳定性影响规律有所不同;断层的几何参数对边坡的破坏模式和稳定性有较大的影响,并且影响程度大于其力学参数的影响。     

基于声发射技术的岩石破坏模式分析研究

为研究岩石各变形阶段裂纹扩展形式,利用声发射特征参数分布规律判别单轴压缩试验条件下3类岩石整体及4个变形阶段破坏裂纹模式。结果显示,黄砂岩和细粒大理岩呈现出低AF、高RA值分布特点和峰值频率主要集中分布在0～100 kHz的规律,整体以剪切型裂纹破坏为主,且各阶段都以剪切型破坏为主要裂纹扩张形式;细粒花岗岩则随着应力的增大,裂纹扩张形式从拉伸型转向拉-剪复合型裂纹,最终以拉伸裂纹破坏为主。此外,岩石裂纹非稳定发展阶段声发射信号特征对岩石整体声发射信号特征起决定性作用。     

裂隙和土体软化效应双重影响下膨胀土边坡的稳定性分析

天然膨胀土经历长期干湿循环,反复胀缩使其具有多裂隙性和超固结性。在膨胀土边坡稳定分析中,应考虑上述性质的共同作用对边坡稳定性的影响。采用FLAC3D中的双线性应变硬化/软化遍布节理模型,对不同裂隙面位置和土体软化效应共同影响下的膨胀土边坡进行了稳定性分析。结果表明:裂隙面的存在会显著降低膨胀土边坡的稳定性。随着裂隙面与水平正向夹角的减小,边坡安全系数呈现出"增—减—增—减—增"的波形关系,峰值安全系数出现在20°和115°,谷值安全系数出现在80°和160°。考虑在裂隙面位置和土体软化效应的双重影响下,边坡稳定性会进一步降低,其中土体软化效应对边坡稳定性的影响要小于裂隙面的影响。反倾向小倾角的裂隙面一定程度上可提高边坡的整体稳定性,其与裂隙面的强度参数及土体的软化效应密切相关。     

基于PFC3D的无砂混凝土强度及损伤模式

为对无砂混凝土的强度及破坏损伤模式进行深入研究,借助离散元颗粒流软件PFC3D对无砂混凝土2种典型卵石骨料进行仿真建模,建立了7组孔隙率分别为0.26,0.28,0.30,0.32,0.34,0.36,0.38的无砂混凝土三维结构模型,模拟计算各组试块在单轴压缩试验下的受力及破坏情况。同时,对模型试块单轴试验中内部断裂发展情况进行监测统计。结果表明:随着模型孔隙率的增加,模型颗粒数、颗粒接触粘结数逐渐下降,抗压强度呈下降趋势;数值模拟曲线与多孔混凝土应力-应变曲线模型基本符合,与常规混凝土应力-应变曲线模型相比,在曲线上升阶段表现出更强的线性趋势,曲线下降段卸载迅速,体现出高脆性的特点;在模拟试验中,模型内部接触断裂多发生于模型边角及加载面处,在模型达到峰值强度后,断裂数急剧上升形成贯通的断裂面;根据峰值强度下断裂位置信息的统计分析定义了无砂混凝土“易破坏区”,该区域体积为试块总体积的47.6%,包含断裂数达到总断裂数的69%以上。研究结果可为无砂混凝土的力学及损伤机理研究提供参考。     

基于结构面几何参数的深部隧洞围岩破坏机理研究

岩体的强度主要由结构面控制,为确定结构面对隧洞围岩的影响,在对围岩中单一结构面的应力分布和破坏形式进行理论分析的基础上,研究了结构面倾角以及结构面到隧洞中心的距离对节理围岩破坏机理的影响。并利用3DEC离散元程序分别对不同结构面分布、不同岩石强度和结构面强度下18种组合的围岩变形进行了计算,分析了结构面不同分布情况下围岩的破坏模式;对比分析岩石、结构面强度不同组合下岩石强度和变形特征,研究了结构面力学变形性质在岩体损伤破坏中的贡献。研究结果表明:结构面距开挖轮廓线越近越容易发生破坏;结构面倾角影响结构面首先发生破坏的位置;结构面的分布决定围岩首先发生破坏的位置,结构面的破坏不一定会导致围岩的破坏。研究成果对不同结构面组合分布的围岩变形和破坏分析具有一定的指导意义。     

ITZ强度对混凝土裂隙扩展影响的DEM模拟研究

混凝土的粗骨料与砂浆之间存在界面过渡区(ITZ),过渡区的力学性质受骨料的形状、大小、含量、空间分布及初始裂隙等条件影响。为研究过渡区强度对混凝土材料性能的影响,采用离散元软件PFC2D建立了随机骨料分布的混凝土模型,并对其进行了单轴压缩试验。试验发现：当过渡区强度增大时,混凝土的峰值应力和初始裂隙产生时的应变逐渐增大,总裂隙数减少,破坏类型由受剪破坏转变为受拉破坏,并且过渡区强度增强会使混凝土的起裂区域由过渡区转移至砂浆聚集区。模拟结果可为混凝土界面过渡区的理论研究提供一定参考。     

微裂隙对工程岩体变形参数的影响分析

裂隙的大量存在使岩体的变形特性变得非常复杂,而在采用数值分析方法时,常常忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。为了明确微裂隙对岩体变形参数的影响,通过变形等效原理,对含单一微裂隙的岩体的变形参数进行估算。计算结果表明：岩体的变形特性与微裂隙倾角、长度和荷载方向有关;微裂隙越长,岩体的变形模量越小,泊松比越大;微裂隙倾角与荷载方向的夹角越小,岩体的各向异性越明显,但是,随着夹角的增大,岩体不同方向上的变形模量逐渐减小,泊松比逐渐增大,岩体的各向异性逐渐减弱,当微裂隙与荷载方向的夹角为45°时,岩体则表现为各向同性。     

裂隙参数对岩体水流-传热温度影响的数值模拟分析

在岩体多场耦合中,裂隙岩体的温度场一直是国内外学者研究的热点问题。基于裂隙岩体概念模型,应用3DEC程序计算不同裂隙参数下岩体的温度场、裂隙出水口水温的变化特征。结果表明:裂隙相同进水温度对岩体温度场影响微弱,进水温度高的裂隙主导岩体温度场,裂隙进水温度对模型达到稳态所需要的时间影响较小;裂隙水流速度越大和开度越大,则岩体相同高度处温度越高;端裂隙水流速度的减小和开度的减小延长了模型达到稳态所需要的时间;由于两条端裂隙的边际效应,使其参数对岩体温度场起主导作用;裂隙水温、流速、开度对岩体温度场影响的大小排序为水温流速开度。     

单元体弹性模量分布对岩石单轴抗压强度影响数值模拟

利用FLAC3D建立单轴压缩试验数值模型并与实际情况比较以验证模型可靠性。控制其它材料参数,改变单元体弹性模量分析岩体抗压强度的影响。岩体模型各单元体弹性模量在一定区间内分别按均匀变化规律取值、随机取值以及按正态分布规律取值,研究单元体弹性模量分布规律对岩石单轴抗压强度的影响。结果表明:弹性模量分布的均匀性越好,岩石抗压强度越大,最大值等于整个岩体模型弹性模量取相同参考值时的计算结果;单元体弹性模量在一定区间内随机取值时,岩石抗压强度将减小,且弹性模量随机取值区间越大,岩石抗压强度越小;在相同的取值区间上,弹性模量按正态分布规律取值时岩石抗压强度大于弹性模量随机取值时的抗压强度。两者都小于整个岩体模型弹性模量取相同参考值时岩石的抗压强度,即σ1≥σE正态分布≥σE随机分布。     

非贯穿性节理对岩体单轴抗压强度的影响

灵活运用ANSYS/FLAC3D等软件构建含有非贯穿性节理岩体的圆柱体试件。通过对比分析含单一结构面岩石的单轴压缩数值试验结果与已有研究成果,论证了此方法模拟裂隙岩体的合理性。在此基础上,通过模拟不同倾角和尺寸的圆柱体试件的单轴压缩试验,揭示了非贯穿性节理对岩体试件抗压强度的影响,以及含不同倾角的非贯穿性节理岩体单轴抗压强度的尺寸效应特征。当非贯穿性节理倾角为45°~60°时,试件单轴抗压强度存在最小值;当倾角为90°时,试件单轴抗压强度最大,即当非贯穿性节理与岩体受力方向平行时,对岩体单轴抗压强度影响较小;不同尺寸岩体试件单轴抗压强度随非贯穿性节理倾角的变化规律基本一致。含非贯穿性节理的岩体单轴抗压强度受节理倾角的影响较大,其变化规律与含贯穿性节理的岩体相似。除倾角90°岩体外,含非贯穿性节理的岩体单轴抗压强度存在明显的尺寸效应特征。     

基于虚强度参数的塑性硬化模式

 塑性理论中常采用等向硬化、随动硬化和混合硬化的假定来描述硬化函数的演化规律,这需要在屈服函数上增加相应的函数项,但这些关于硬化模式的假定不是必须的。提出了利用虚强度参数来描述介质塑性硬化规律,即在不改变屈服/破坏函数形式的条件下,只将其中的强度参数替换为塑性硬化参量的函数,便可以实现既避免硬化规律的先验假设,又可体现介质的硬化过程。采用一组煤岩的三轴加卸载试验数据研究了基于Coulomb-Mohr准则和基于Drucker-Prager准则及其强度参数的塑性硬化函数。结果表明,这2个函数的塑性硬化面子午线在应力空间中以平移和旋转2种方式体现介质的塑性硬化过程,并与已有煤岩试验数据一致。所提出的虚强度参数的概念为破坏准则中真实强度参数替换后作为硬化函数提供了一个逻辑的桥梁。     

单轴压缩下泡沫混凝土的强度特性研究

以水泥、粉煤灰、矿渣为胶凝材料,水胶比0.43,按照质量比16∶3∶1制备出不同气泡含量泡沫混凝土。通过室内试验,对不同气泡率下(0%~74.23%)泡沫混凝土进行单轴压缩破坏试验,得到其不同龄期下(7 d、14 d、28 d)的抗压强度和破坏形态,建立了强度与龄期和气泡率之间的关系。结果表明:泡沫混凝土在单轴压缩下经过密实、弹性、屈服、破坏四个阶段,其抗压强度随泡沫含量增大而减小,在一定范围内随着龄期增大而增大;泡沫混凝土抗压强度与气泡率之间成指数关系,且一致性良好;对于气泡含量高的试样,其破坏形态表现出低强度脆性破坏特征,在中部形成较宽裂缝,而对于气泡含量低的试样,其破坏形态与普通混凝土基本一致。     

基于强度折减法的花石崖危岩体稳定因素数值分析

危岩体一般处于非稳定或极限平衡状态,影响危岩体稳定的因素很多,而地质勘探往往难以给出危岩体的准确参数。以金沙江花石崖危岩体为例,主要考虑了危岩体裂缝位置和深度、裂缝中水压力大小、危岩体强度参数以及危岩体下部软弱岩层参数等因素。使用FLAC~(3D)软件基于强度折减法计算分析各因素变化对危岩体安全系数的影响。对比计算分析结果表明,裂隙水压力和危岩体下部软弱岩层参数对危岩体稳定影响较大,在危岩体治理中应加固下部软弱岩层以及封闭上部裂缝,防止雨水汇集。     

基于Sheorey岩体强度准则对等效Mohr-Coulomb强度参数的推导

引入基于RMR岩体分级指标的Sheorey岩体强度准则,根据σ1-σ3平面上用线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则对非线性准则进行拟合的原则,利用最小二乘法推导出相应的等效M-C强度参数,并给出等效强度参数的通用表达式,方便利用Sheorey准则评价岩体的强度及稳定性。之后,通过一个算例比较了Sheorey准则与HoekBrown准则的M-C等效强度参数。分析结果表明,两准则的等效强度参数具有良好的吻合度。     

层状各向异性岩体的室内单轴压缩试验分析

为研究层状岩体变形及强度的各向异性特征,将不同倾角的层状岩体制成标准试件进行单轴压缩试验,得到岩石试件弹性模量、峰值强度和残余强度,以及它们随层面倾角β的变化规律;并对试件峰值破坏形态进行了分析,最后通过理论计算验证试验结果的正确性。研究结果表明:随着层面倾角β的增大,层状岩体的弹性模量、峰值强度和残余强度呈先减小后增大的变化趋势。β为90°时,其模量和强度最大,β为45°~60°时较小,且β为90°时对应的模量和强度比β为0°时要大,表现出明显的各向异性特征。当β为0°~15°时,岩石产生沿轴向应力方向的劈裂破坏;β30°以后,岩石开始产生沿层理结构面的滑移破坏;β为90°时产生沿层理结构面的劈裂破坏。     

层理面细观参数对层状岩体强度特性影响的研究

为了从细观角度研究不同层理面的细观参数对层状岩体强度特性的影响,利用颗粒流建立数值模型,从细观角度将层理面力学参数分为黏结强度、摩擦作用和咬合作用3个方面,通过开展不同层理倾角下层状岩体单轴压缩试验的数值模拟,初步探讨了层理面力学参数对层状岩体强度的影响。结果表明:当层理黏结强度与基岩相差很大时,其影响可以忽略,而当其与基岩黏结强度比较相近时,其影响很大;层理摩擦作用对岩体整体强度的影响很小;层理咬合作用由层理厚度体现,是影响岩样整体宏观强度的重要因素,在试验颗粒级配条件下,当层理厚度取大约3倍最小颗粒半径时比较合理。