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.     

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.     

节理岩体抗力系数的各向异性特征与计算方法

隧道设计的荷载-结构法中,围岩抗力系数是影响衬砌内力与变形的重要参数,节理的存在会导致抗力系数的各向异性,然而,目前工程中较少考虑抗力系数的各向异性问题.以大连地铁2号线兴工街站隧道工程为背景,针对含有两组贯通节理岩体抗力系数的各向异性分布特征,采用正交试验和离散元数值模拟,分析岩石弹性模量、泊松比、节理间距、节理倾角、节理法向刚度等10个影响因素作用下抗力系数的分布规律.结果表明:洞周围岩抗力系数分布曲线呈椭圆形,长轴沿两组节理夹角角平分线方向;方差分析中5%水平下的显著性影响因素依次为节理法向刚度、岩石弹性模量、节理间距与节理倾角;各向异性系数随洞径与节理间距比值的增大呈现出先增大后减小的规律,当比值趋近于零或无穷大时,各向异性系数收敛于1.基于上述分析结果,进一步推导出围岩抗力系数椭圆分布函数的理论计算公式,并验证公式的准确性.工程实例计算表明,围岩抗力系数的各向异性对衬砌轴力的影响较小,对弯矩的影响显著.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于等效岩体技术的节理参数对岩体强度影响性研究

岩体中节理赋存位置隐蔽,参数获取难度大,研究不同节理参数变化对岩体强度的影响,有利于在节理测量中有针对性地提高测量精度,并找出对岩体强度弱化最明显的参数.基于等效岩体技术,研究了云南省光山1号隧道岩体节理离散裂隙网络(DFN)参数倾角均值、倾角标准差、节理尺寸、节理尺寸分布幂和节理密度对岩体表征单元(REV)单轴抗压强度的影响,分析了岩体强度对各参数的敏感性.研究结果表明:岩体强度对倾角均值有最大的敏感性,因此在节理测量中需重点加强对倾角的勘查;节理密度增大对岩体强度的弱化作用最明显,因此,当节理密度增大时,需及时调整施工方案并提高支护强度.该研究为节理勘查重点提供了参考,也为节理参数变化时隧道稳定性的快速预测提供了依据.     

双向应力作用下X型断续节理岩体的强度特性研究

本文基于石膏模型试验的结论,借助断裂力学理论,着重讨论了含 X型断续节理岩体的压剪断裂强度特性及破坏机理。结合有限元数值模拟计算,分析研究了节理方位、围压大小对这类岩体强度的影响。     

节理岩体裂隙扩展及能量耗散规律研究

在工程扰动作用下,岩体内部出现的节理、断层等弱结构面严重影响工程的安全稳定,研究此类岩体的破坏规律对于保证工程顺利施工具有重要的理论价值。文章开展了不同工况下单节理砂岩试样围压卸压的数值模拟试验,研究相同轴压、不同围压条件下卸单面围压的裂隙扩展规律,并建立了含节理隧道复杂三维力学模型,分析能量耗散规律。结果表明：试样在相同低围压、轴压作用卸荷后,30°～60°之间裂隙发育程度较高,破坏形式大致呈y形,且围压越大,试样破坏越小,超过围压一定范围,破坏更严重;相同低围压、轴压作用下试样差值耗散能与差值塑性区体积均随着节理倾角的增大呈现先增大后减小的规律,曲线近似成倒U形;隧道开挖过程中差值耗散能、差值塑性区体积变化规律与数值模拟规律较为吻合。     

类岩石裂隙扩展多因素影响研究

岩体强度是影响岩体工程安全的重要因素,其会因多种因素的改变而变化,研究不同因素对裂隙扩展的影响,可以获得不同因素对岩体强度影响规律,为保证岩体工程的安全和稳定提供参考依据。文章主要考虑节理位置、围压和温度对岩体破裂过程的影响,通过室内试验分析节理位置对岩体裂隙扩展规律的影响,研究围压的改变对岩体峰值强度和破裂形态的作用,通过加卸载试验定性分析了洞室开挖掌子面的卸荷效应,并对4种较低温度和3种超高温度下岩体的裂隙扩展形态和规律进行了研究。结果表明:节理位于试件端部时,以翼裂纹扩展为主、次生裂隙扩展为辅,主要产生张拉裂纹,而节理位于试件中间时,主要产生剪切裂纹;围压的增加会提高岩体的强度,抑制裂纹的扩展,岩体卸载容易产生劈裂破坏;温度能够降低岩体的强度,超高温条件下,岩体易产生炸裂。     

裂隙岩体断裂破坏扩展数值模拟研究

为进一步了解复杂裂隙断裂破坏过程,基于断裂力学理论,采用PFC2D软件对不同裂隙数量岩体进行数值试验,分析裂隙倾角、围压等因素对岩体强度及裂纹扩展的影响规律。研究表明：随着裂隙倾角增大,单裂隙峰值应力和起裂应力先减小后增大,当围压由2 MPa增加到8 MPa时,峰值应力约从120 MPa增大到160 MPa,且起裂应力随着围压增大而增大,与理论分析结果一致;双裂隙倾角为30°和45°裂隙扩展以翼型裂纹和次生斜裂纹为主,裂隙倾角为60°和90°时主要为共面次生裂纹;不同围压下,随着预制裂隙数量增多,裂隙岩体试样峰值应力逐渐减小。研究成果为进一步探索裂隙岩体失稳破坏规律提供参考。     

考虑剪胀效应的节理岩体三维等效模型

研究建立了贯穿节理岩体的三维等效弹性模型,考虑了岩体中节理的剪胀效应,分析了剪胀系数和节理面倾角对各向异性岩体等效弹性模量的影响,编写了节理岩体等效弹性常数实用计算软件,可以方便、快捷地对节理岩体的等效性能进行估算。     

考虑剪胀效应的节理岩体三维等效模型

研究建立了贯穿节理岩体的三维等效弹性模型,考虑了岩体中节理的剪胀效应,分析了剪胀系数和节理面倾角对各向异性岩体等效弹性模量的影响,编写了节理岩体等效弹性常数实用计算软件,可以方便、快捷地对节理岩体的等效性能进行估算。     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究

为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律,采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型,分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。研究表明:两种滚刀在侵入节理岩体时,裂纹形成和扩展分为两个典型阶段,两种滚刀在受力以及裂纹数目上存在差异;随节理特征的改变,节理对两种滚刀作用下的裂纹扩展呈引导和阻隔效应,节理间距超过80 mm后,双刃滚刀作用下的裂纹扩展依然受到节理的控制;依据两种滚刀破岩产生的岩碴方式分为常规破岩和节理面协同破岩两种形式;单刃滚刀作用下岩体内部的应力分布随节理倾角变化而偏转,双刃滚刀作用下的应力分布随节理倾角变化影响不大;两种滚刀破岩效率随节理特征改变而改变,当刀间距合适时,双刃滚刀相比单刃滚刀破岩效率要高;双刃滚刀侵入节理岩体存在一个最优刀间距使得破岩效率最高,最优刀间距随节理倾角增加先增大后减小。     

节理倾角对单节理岩样变形破坏影响的数值模拟

采用FLAC模拟了节理倾角对各向异性岩样峰值强度、力学行为及剪切带图案的影响。节理由实体单元模拟。对于节理之外的岩石,采用莫尔库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后本构关系选择线性应变软化模型;对于节理,采用理想弹塑性的莫尔库仑准则。结果表明,无节理密实岩石的峰值强度最高。节理岩样的剪切应变或集中在节理上,或集中在新剪切带上,峰值强度随节理倾角而改变。新剪切带启动于节理的端部,然后沿其固有方向传播。当节理倾角适中时,节理岩样的峰值强度较低,岩样的行为受控于节理。当节理倾角较高或较低时,可观测到应变软化行为。若节理倾角较低,新剪切带的长度随节理倾角的降低而增加,这导致了陡峭的峰后应力-应变曲线。若节理倾角较高,由于节理倾角对新剪切带的厚度和倾角几乎没有影响,因此,峰后斜率不依赖于节理倾角。     

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。     

贯通型锯齿状节理岩体的剪切力学行为

为探究一阶起伏角和法向应力对贯通型锯齿状节理岩体剪切强度及变形的影响规律,在不同法向应力作用下对含不同一阶起伏角的锯齿节理试样进行室内直剪试验,建立一个贯通型锯齿状节理岩体剪切强度估算公式并进行验证。结果表明：相同法向应力作用下,根据其形态特征的不同,剪切应力-位移曲线分为滑动型曲线、滑动-峰值型曲线和峰值型曲线3类,滑动型曲线和滑动-峰值型曲线可分为非线性缓慢上升阶段、线性陡升阶段“、上凸形”缓慢上升阶段、近似平直阶段和平直阶段,峰值型曲线可分为非线性缓慢上升阶段、线性陡升阶段、“微凸型”上升阶段、脆性跌落阶段和波动缓降阶段;根据起伏角的不同,锯齿节理岩体的破坏模式可概化为滑移破坏、爬坡破坏和爬坡啃断破坏,每种破坏模式下节理损伤演化过程均可分为3个阶段,即滑移破坏模式可分为压密阶段、克服摩擦阶段和滑移阶段,爬坡破坏模式可分为压密阶段、爬坡滑移阶段和塑性流动阶段,爬坡啃断破坏模式可分为压密爬坡阶段、爬坡啃断阶段和啃断滑移阶段;含不同一阶起伏角的锯齿节理岩体剪切强度均随法向应力和起伏角的增加而增大,其计算表达式仍然遵循M-C准则。