应用单元劈裂法模拟三维内嵌裂纹扩展

 对于岩石内嵌裂纹很难通过物理试验进行研究,在应用有限单元法模拟内嵌裂纹扩展时,三维节理面建模、网格划分以及节理扩展后的网格处理一直是难点问题。为简单、高效地分析含有内嵌型不连续面的节理岩体的破坏模式,利用三维单元劈裂法来解决这一问题。单元劈裂法是利用四面体单元的几何性质来构造的一种特殊的四结点节理单元。当有裂纹穿过四面体单元时,位于裂纹两侧的结点可形成3或4个接触点对,由此推导出劈裂单元的刚度矩阵。采用该方法模拟内嵌裂纹扩展时,可以不用考虑节理岩体的几何完整性,而直接对整个岩体进行网格划分。因而一些单元则被内嵌裂纹相切,对于与裂纹相切的单元采用劈裂单元刚度矩阵,而其余单元则采用常规单元刚度矩阵。由此免去了单独设置三维节理单元的麻烦以及为设置节理单元而不断改变网格划分方案的麻烦。这种优势在裂纹数目较多时尤为突出,非常适合节理岩体计算。通过对内嵌椭圆裂纹扩展模拟并与相关物理试验做对比,得出该方法能够再现三维内嵌裂纹扩展的基本特征,说明该方法是有效的。     

岩体闭合节理摩擦滑动模拟与力学行为研究

基于边界单元法的不连续位移法,引进摩擦节理单元来模拟岩体节理,认为节理摩擦过程中其上下表面间作用的应力满足摩尔-库伦准则。在此基础上,研究了节理不同闭合和滑动状态对应力和位移的影响。研究发现,当节理张开时,节理的存在导致节理两端产生非常强烈的应力奇异性;当节理闭合且有切向滑动时,节理两端的应力奇异性明显降低。     

岩体断续节理受压剪荷载的弹塑性分析

运用弹塑性断裂力学的裂纹线场分析方法，将描述岩体材料破坏特性的摩尔－库仑准则，列入求解岩体内节理断裂问题的基本方程中，对节理裂隙在压剪荷载下进行求解，利出了节理线附近的弹塑性区应务场。通过弹塑性场在其边界上的匹配条件，得出了节理线上塑性区长度与压剪荷载的关系，以及节理扩展破坏准则。     

节理岩体自适应有限元分析方法及其工程应用

基于Ｇｏｏｄｍａｎ节理单元的应力精度分析，本文提出了一种将节理视为内部应力边界的节理岩体自适应有限元分析方法，并且使用四边形单元和网格再生成法，实现了承受压剪作用的单一裂纹试件和一边坡工程问题的网格加密型（ｈ型）自适应分析。     

基于零厚度黏聚力单元节理面剪切破坏机理宏细观研究

为了探究不同粗糙度节理岩体剪切过程及破坏类型,利用ABAQUS有限元分析软件,采用全局嵌入零厚度黏聚力单元的方法模拟带节理岩体压剪过程。通过室内压剪试验和数值模拟结果对比确定所建立模型的正确性,从宏细观角度分析节理岩体剪切破坏行为。研究结果表明：采取全局嵌入零厚度黏聚力单元模拟节理岩体压剪过程的方法相对准确,能真实反映节理面细观破坏过程;不同粗糙度节理试样在恒定法向荷载下的剪切峰值强度随着粗糙度增加而递增;节理岩体的剪切过程大致可以分为4个阶段,线弹性强化阶段、带裂纹强化阶段、塑性软化阶段和残余强度阶段;不同粗糙度节理岩体在剪切过程中破坏类型不同,在恒定法向荷载下岩体剪切破坏大致可以分为3种形式,分别是滑移破坏,岩体局部剪断破坏和切齿破坏。     

基于零厚度黏聚力单元节理面剪切破坏机理宏细观研究

为了探究不同粗糙度节理岩体剪切过程及破坏类型,利用ABAQUS有限元分析软件,采用全局嵌入零厚度黏聚力单元的方法模拟带节理岩体压剪过程。通过室内压剪试验和数值模拟结果对比确定所建立模型的正确性,从宏细观角度分析节理岩体剪切破坏行为。研究结果表明:采取全局嵌入零厚度黏聚力单元模拟节理岩体压剪过程的方法相对准确,能真实反映节理面细观破坏过程;不同粗糙度节理试样在恒定法向荷载下的剪切峰值强度随着粗糙度增加而递增;节理岩体的剪切过程大致可以分为4个阶段,线弹性强化阶段、带裂纹强化阶段、塑性软化阶段和残余强度阶段;不同粗糙度节理岩体在剪切过程中破坏类型不同,在恒定法向荷载下岩体剪切破坏大致可以分为3种形式,分别是滑移破坏,岩体局部剪断破坏和切齿破坏。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

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。     

复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用

应用断裂力学和损伤力学的理论,研究断续节理岩体开挖卸荷过程中渐近破坏的力学机制,从压剪和拉剪两种应力状态出发,建立了复杂应力状态下断续节理岩全的损伤演化方程,并将其应用于某矿山开采过程围岩破坏特征分析中,结果表明理论计算与工程实践较为吻合。该方法为定量分析地下工程围岩破坏过程提供了理论依据。     

断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究

基于细观统计损伤数值模型,通过改变包含单组节理岩体的节理倾角、节理台阶角、层距d和岩桥长度l_r,建立不同节理分布的断续节理岩体数值试样,展开系列数值试验,模拟了节理岩体的破坏过程,探讨了节理结构几何参数和应力水平对破坏模式以及岩体力学参数的影响规律。研究结果表明,断续节理岩体破坏模式共分为4种：沿节理面破坏、转动块体破坏、台阶状破坏和混合破坏。沿节理面破坏与台阶状破坏的岩体峰值强度高、破坏应变大,转动破坏的岩体峰值强度低、破坏应变小。随着节理倾角的增大,岩体力学行为表现出脆性破坏—渐进破坏—脆性破坏的循环过程。随着应力水平的增加,岩体破坏区域由中间向端部扩展,并且对于强度的提高有显著作用,但提高水平随围压增加而降低。节理台阶角对于=90°时的破坏形式影响较大,由台阶状破坏转变为转动块体破坏,层距d对阶梯状破坏模式影响较小,对转动破坏模式影响较大,岩桥长度l_r不影响破坏模式,但对面破坏与台阶状破坏模式的峰值强度、破坏应变影响较大。通过对比,模拟结果与物理试验规律一致,但数值模拟结果可以清晰获得节理岩体中应力场分布、裂纹起裂点与扩展方向、破坏图像等,有利于分析其内在破坏规律与机理。     

无厚度三节点节理单元在裂纹扩展模拟中的应用

节理厚度在实际工程中很难用常量描述,为便于描述节理的力学行为,在原三节点节理单元的基础上构造无厚度三节点节理单元,并推导出相应的刚度矩阵。由于三节点节理单元与原三角形单元共享节点,因而它在模拟裂纹扩展过程中无需对网格进行重新划分;另外,在网格剖分时,也无需考虑裂纹体的几何完整性,可直接对结构进行三角网格剖分。因此,该方法可为裂纹的模拟提供极大的便利,并显著提高计算效率。相应的大理石模拟试验表明,该方法在岩石裂纹扩展的模拟中是有效可行的。     

无网格法对岩体不连续面的模拟

 鉴于以Goodman单元为代表的界面单元在传统有限元法中取得了广泛而成功的应用,因而采用无网格法进行岩土工程数值分析时,首先考虑引入Goodman单元以模拟不连续面。详细分析将Goodman单元引入无网格法模拟不连续面的可行性和当前研究所存在的问题。研究结果表明,由于Goodman单元最初的应用对象是有限元法,其位移模式实质是为了实现与其相连接的有限单元相协调;而无网格的位移模式是基于离散节点的,对于不同的待插值点,影响域覆盖该插值点的节点及其数量也不相同;因而必然存在着无网格法的位移模式与Goodman单元边界上假定的位移模式不相协调的问题。解决这个问题的关键是在考虑节理单元的刚度对总体刚度矩阵的贡献时,应采用数值积分计算得到节理单元的刚度矩阵而不是简单的将传统解析表达式累加到求解系统的总体刚度矩阵中去;考虑到上述特点,界面单元可以隐式或显式出现在计算模型中。以自然单元法为例详细介绍显式和隐式Goodman单元的具体实现方案,并给出相应的算例进行数值验证和对比;所提出的思路对于一般的无网格方法都是适用的。     

焊接结构裂纹扩展分析的无网格和水平集耦合方法

针对焊接结构由于初始裂纹的存在而导致裂纹扩展,降低结构承载力,危及结构使用安全的问题,提出了分析有初始裂纹焊接结构的裂纹扩展及其扩展路径的无网格和水平集耦合方法。先建立焊接结构的无网格模型,将节点划分为常规节点、阶跃扩展节点和裂尖扩展节点; 然后采用移动最小二乘法计算近似函数,得到结构的位移场及应力场; 最后采用相互作用积分法求解应力强度因子,将最大周向应力准则作为失效准则计算开裂角,获得焊接结构的裂纹扩展路径。裂纹几何形状采用水平集法描述,裂尖位置采用在裂尖处相互正交的波前水平集函数和裂尖水平集函数定位,裂纹扩展路径跟踪采用水平集更新算法实现。以焊接节点为环状形式截面且存在初始焊接裂纹为研究对象,编制了基于所提方法的裂纹扩展程序。结果表明:采用所提方法分析焊接结构裂纹扩展计算得到的应力场光滑且协调,无需进行后处理,避免了有限元计算裂纹扩展时网格畸变和扭曲,提高了传统无网格法的精度和效率,实现了对裂纹扩展路径的准确跟踪。     

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.     

一种模拟节理岩体破坏的新方法:单元劈裂法

在有限单元法中,三结点三角单元在几何上具有独特的优点,即当一条裂纹贯穿单元(单元劈裂)时,总有一结点位于裂纹的一侧,而另外两个结点位于裂纹的另一侧。位于一侧的两个结点与位于另外一侧的一个结点可以潜在地构成两个接触点对,从而可以利用这两个接触点对来推导劈裂单元的刚度矩阵,以再现裂纹面之间的接触和摩擦效应。利用该三角单元的几何特点,提出了单元劈裂法,用于模拟节理或其它裂纹的扩展问题。由于劈裂单元刚度矩阵与原三角单元享有共同的结点,因而在模拟裂纹扩展过程中无需为设置节理单元而改变原网格划分方案,这为节理扩展的数值模拟提供了很大方便,提高了计算效率。在劈裂单元刚度矩阵推导过程中,没有考虑单元劈裂后所形成两个块体自身的弹塑性变形,所以该方法只是一种近似方法。对相应试验进行了数值模拟,结果表明该方法是有效的。     

预制裂纹几何与材料属性对岩石 裂纹扩展的影响研究

 采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。模拟中采用弱化元胞单元来表征试件中存在的预制裂纹,用Weibull随机分布对岩石基质元胞单元的力学参数进行赋值,以反映作为岩石基质一部分的岩桥的非均质性。表征预制裂纹的弱化元胞单元服从理想弹塑性本构关系,基质元胞单元服从弹脆塑性本构关系。利用该方法对含有2或3条裂纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟,再现裂纹起裂、扩展和搭接全过程的实验现象。结果表明,预制裂纹的倾角和岩桥倾角对裂纹的扩展和搭接有重要的影响。同时,考虑基质材料力学属性的差异,研究基质元胞单元力学性质的随机空间分布和不同的内摩擦角等情况下的裂纹扩展模式,结果表明,裂纹的扩展和搭接路径强烈依赖于材料的力学属性,从机制上解释了室内实验中裂纹扩展路径离散性的原因。     

土坝裂缝开展的无单元法数值模拟

结合压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型和弥散裂缝理论,提出了点插值无单元法模拟土石坝坝体裂缝开展过程的数值计算方法。当压实黏土达到其抗拉强度后,在每个积分点建立各向异性刚度矩阵,并构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂的无单元与有限元耦合的计算模式。开发的结点自动加密技术对坝体的拉应力区域进行自动结点加密,并根据可视准则确定无单元结点的影响域。以最小结点间距为开裂步长,通过对坝体裂缝离心模型试验的模拟计算,检验了脆性断裂模型和无单元算法对土体拉伸裂缝发展过程的适用性。     

边坡潜在滑动面模拟方法研究

 潜在滑动面的确定和模拟是研究边坡稳定性的关键问题,滑动面的确定受多种因素的影响,较为均质的土质边坡可通过理论方法直接确定,非均质的岩质边坡均需通过多种手段和途径综合确定。目前常用的模拟滑动面模型有：无滑动面模型、薄层实体单元模型、界面单元模型。通过深入剖析各种方法的优缺点,指出无滑动面方法不能反应滑体滑动机制和失稳过程;薄层实体单元相当于用连续变形的岩体单元来模拟发生不连续变形的结构面;Goodman节理单元的法向刚度Kn与切向刚度Ks很难确定,且易发生单元嵌入现象;Katona内界面单元或摩擦–接触型界面单元则不需要确定节理、断层的Kn,Ks,直接采用它们的黏聚力和内摩擦角,通过接触面两侧的模量变化来反映Kn和Ks的影响,而且可以很好地模拟接触面的滑动、张开与闭合等状态。最后借助经典工程实例对推荐的摩擦–接触型界面单元进行验证。结果表明：采用摩擦–接触型界面单元模拟滑动面的分析结果与工程实际情况吻合较好,符合边坡变形规律和工程经验,特别是结构面的模拟较为真实地反应了实际边坡工程的问题。