大理岩脆–延–塑转换特性的细观模拟研究

 针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆–延–塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明：试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力–应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明：不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆–延–塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延–塑性破坏模式转换。     

深埋大理岩脆性破裂细观特征分析

脆性材料的破裂过程与裂纹的扩展密切相关,其细观结构特征直接决定宏观力学行为表现,但目前受限于试验仪器,还无法完全把握脆性破裂的细观机制,必须将试验方法和数值方法有机结合。首先利用MTS完成大理岩的单轴和三轴压缩试验,并在试验过程中对声发射信号进行全程监测,利用获得的试验数据详细分析深埋大理岩破裂特征,明确内部裂纹的发展演化规律以及对大理岩宏观力学特性的影响。通过引入颗粒流程序(PFC),借助于已经完成的单轴和三轴试验成果获得PFC计算中的颗粒参数和颗粒胶结面参数,利用BPM模型模拟脆性岩石的破坏。结果表明,PFC能够从细观尺度准确地再现深埋大理岩试验过程中的裂纹扩展和破裂特征,并且能够展现在实际试验过程中无法监测和获得的有价值的细观破坏特征,为描述脆性岩石的破裂特征和复杂力学行为提供可以依赖的描述方法。     

锦屏一级地下厂房大理岩变形破裂细观演化规律

脆性大理岩的变形破裂与其内部微裂纹的扩展贯通密切相关,其宏观力学响应取决于细观结构构造;因岩石内部的封闭性,难以掌握其内部微裂纹的发育演化机制。基于三维颗粒流理论,通过引入 BPM 模型和超级单元clump技术,并依据锦屏一级地下厂房大理岩的SEM矿物成份检测结果,建立基于矿物形状的大理岩细观结构模型,在对细观力学参数敏感性分析的基础上,根据室内单轴和三轴压缩试验结果确定大理岩的细观力学参数,构建大理岩的细观力学数值模型,对不同应力状态和应力路径下大理岩的变形破裂演化及扩容孕育过程进行数值模拟分析。研究结果表明：大理岩细观力学数值模型所描述的宏观力学响应与室内试验结果具有很好的一致性;单轴或低围压时微裂纹呈缓慢-急增的指数型增长趋势,高围压时微裂纹呈缓慢-急增-缓慢的近似S型增长趋势;随着围压的增加,张拉裂纹所占比例逐渐减少,剪切裂纹所占比例逐渐增加;与相同初始围压时的加载应力路径相比,卸载应力路径下岩石峰值应力对应的轴向应变小,张拉裂纹所占比例高,且随卸载过程逐渐起主控作用,最终形成张性宏观破裂面,体现了大理岩卸荷扩容效应更为显著且脆性更强。在不同应力状态和应力路径下,张性裂纹扩展控制机制和剪切裂纹摩擦控制机制相互作用,此减彼增逐步过渡。研究结果从细观尺度上揭示锦屏一级大理岩扩容孕育机制,为正确认识和把握锦屏一级地下厂房洞室群施工期围岩大变形形成机制以及岩体卸荷破裂规律提供基础。     

基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究

材料的宏观力学特征与细观参数密切相关,基于颗粒流原理探究两者间的定量相关性,结合大理岩室内加、卸荷试验确定适用于岩石类材料(如大理岩)的细观参数,为细观分析岩石类材料卸荷破坏机理提供依据。结果表明:1平行黏结弹性模量是宏观弹性模量的主要控制因素,两者之间呈线性关系;泊松比与黏结弹性模量间呈多项式关系。材料弹性模量与泊松比的调试应以颗粒黏结弹性模量与平行黏结弹性模量作为主要对象。2平行黏结切向强度均值与平行黏结法向强度均值共同作用改变材料的应力–应变曲线,平行黏结法向强度均值与峰值应力间呈多项式关系;平行黏结切向强度均值与峰值应力间呈对数关系。3颗粒法向强度与切向强度之间的相对关系是裂纹分布多样化的本质原因:平行黏结法向(切向)强度均值与其标准差的比值在1附近时,岩样共轭破坏,比值增大或减小均会引起模型破坏面向剪切转变,同时平行黏结切向强度均值或其标准差增大会改变贯通性主破坏面的方向。4摩擦因数增加,岩样次生破坏面减少,但不会改变破坏面的方向。5大理岩室内试验的宏观力学特征表明通过正交设计试验可以得到基本合理的细观参数。     

混凝土单轴压缩破坏试验的二维离散元数值模拟

混凝土作为一种典型的准脆性材料,其力学特性和破坏过程非常复杂.利用颗粒流软件PFC2D,模拟了混凝土的单轴压缩破坏试验,分析了模型细观参数对混凝土宏观力学特性的影响,并对其破坏形态进行了研究.分析表明:试件的峰值强度随着平行黏结强度、摩擦系数、平行黏结半径的增大而增加,随平行黏结刚度的增加而降低.     

脆性岩体破裂扩展时间效应对引水隧洞长期稳定性影响研究

 对于锦屏二级引水隧洞,脆性岩体破裂损伤发展的时间效应已从现场围岩破坏情况及多种监测仪器长期监测数据中得到反映,成为影响引水隧洞长期稳定性的控制因素。为系统研究这一问题,针对锦屏二级引水隧洞沿线所占比例最大的岩层之一--白山组大理岩,在论述岩体破裂扩展时间效应的现场体现的基础上,进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用CPM模型建立可以考虑脆–延–塑转换特征的白山组大理岩数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟;最后,首次对工程尺度的引水隧洞进行破裂扩展时效的PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,在100 a运行期内引水隧洞围岩的破裂情况。结果表明,室内试验中破坏时间的增加和荷载的降低呈现出较明显的指数非线性关系,且亚临界裂纹开始扩展,具有一个门槛值(定义为临界驱动应力比),对于白山组大理岩此应力比为0.492。采用CPM模型标定的PFC短期细观参数可较好反映锦屏白山组大理岩试样的三轴压缩应力–应变曲线及屈服破坏特征表现出的明显围压相关性,低围压下裂纹数目随围压增加明显,高围压下增加速度减缓,且拉裂纹在高围压下数目不再随围压增高而增加。数值试验中发现轴向应变和裂纹数目发展均表现出明显的蠕变三阶段特征。随着驱动应力比减少,由蠕变产生的应变量值是增加的。侵蚀裂纹的发展也符合蠕变三阶段特征,驱动应力比越小,侵蚀裂纹数目基本线性增加,但侵蚀裂纹发展速率呈指数减少。在开挖完成100 a后,II类大理岩岩体中引水隧洞的破裂区最大范围为2.1～3.1 m,III类大理岩为3.3～4.5 m,引水隧洞的长期稳定性可以得到较好保障。     

硬脆岩石的微观颗粒模型及其卸荷岩爆效应研究

 为准确反映硬脆岩石的力学特性并对其卸荷岩爆效应进行合理模拟,从微观层面建立了硬脆岩石的力学模型。首先依据花岗岩岩样的衍射测试确定了模拟岩样的微观结构,其次从能量发展和应力–应变2个角度确定了硬脆特性的评价指标,借助评价指标进行岩样的颗粒效应分析和力学性能调控,进而构建了一种反映岩石硬脆特性的微观颗粒模型“可视构架”(基于现有岩样结构,颗粒与黏结参数需保持的趋势和量值限制)。应用模型并采用颗粒流程序PFC3D对不同围压三轴卸荷下的岩爆效应进行模拟分析,结果表明：岩样的低围压卸荷与高围压卸荷都体现出以张拉性质为主导的黏结断裂,但高围压卸荷比低围压卸荷有更高的张拉断裂比重,体现出更明显的脆性破裂性质,应力跌落曲线表现得更为陡直;低围压卸荷下颗粒动能在破裂过程中均有所发展,岩爆效应体现出“持续型”特点,高围压卸荷下颗粒动能则表现出明显的差异性,岩爆效应体现出“爆发型”特点。     

花岗岩细观破裂特征及宏观尺度效应的颗粒流研究

基于颗粒流方法,提出可变半径比例Clump结构的构建方法,分析颗粒流细观参数及细观结构特征对模拟岩石试件拉、压特性的影响规律,构建适用于花岗岩力学特性的Clump颗粒流结构模型,验证可变半径比例Clump结构及细观力学参数的可靠性;构建不同尺度的深部洞室颗粒流模型,分析深部围岩宏观破裂的尺度效应。研究表明,Ball和Clump模型的拉压比对细观力学参数变化的敏感度小,可变半径比例Clump模型的力学特性对粒径尺寸及比例变化的敏感度大;对比分析花岗岩室内试验与数值模拟的拉、压强度曲线及破裂模式,基于可变粒径比例的Clump计算模型与试验结果基本吻合;采用小尺度颗粒模型的深部围岩宏观破裂区主要以局部区域破碎为主,随着颗粒模型尺度逐渐增大,围岩表现出明显的剪切滑移及板裂破坏特征,构建的深部围岩颗粒流模型具有明显的宏观破裂尺度效应。     

锦屏水电站大理岩加卸荷本构模型研究

以锦屏水电站深埋引水隧洞开挖稳定分析为背景,开展大理岩加卸荷变形特性试验,发现无论加载还是卸荷破坏,大理岩试件破坏前都经历显著的体积膨胀过程.从描述岩石体积变形规律的角度出发,在对Weng模型改进的基础上,建立锦屏大理岩加、卸荷本构模型.研究结果表明:模型计算结果与试验结果具有较好的一致性,能较好地描述大理岩加、卸荷体积变形特征.模型可以考虑岩石加卸荷强度特性的差异,能够描述从轴向压缩状态开始卸荷的情况,具有较为广泛的适用性.     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。     

粗糙节理剪切性质的颗粒流数值模拟

 在二维颗粒流程序PFC2D中生成粗糙节理剖面并模拟其剪切性质。通过数值直剪试验,从细观角度观察节理的宏观破坏过程。作为模型试验的一种补充,可以观测到粗糙表面微凸体的剪切破坏及微裂隙发育的情况。宏观剪切区域的产生主要是由细观剪裂纹的累积形成的,剪切破坏区域集中在爬坡效应显著的位置,即剪切应力集中的区域,剪切过程中形成的剪裂纹的数量在出现剪切峰值应力后显著增加,此时粗糙节理面的破坏最为显著。颗粒流数值试验能较好地再现模型试验的结果,采用PFC2D数值试验能部分替代真实岩石试样的模型试验,将其作为一种预测真实岩石节理抗剪强度的手段,从而解决天然粗糙节理形貌难以重复的问题。     

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。     

等效岩体技术在岩体工程中的应用

 以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明：(1) 等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2) 随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3) 等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4) 等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。     

片麻岩破裂演化机制的颗粒流模拟研究

以杏山铁矿-45水平为工程研究背景,运用颗粒流理论,建立了片麻岩颗粒流数值模型;在分析区域岩体粒径分布规律和岩石物理力学特性的基础上,进行了PFC模型参数对宏观参数的敏感度分析,确定合理的模型输入参数;采用PFC^2D程序,对片麻岩的单轴压缩试验进行了数值模拟。将模拟结果与室内试验结果进行对比,借助声发射技术,分析单轴压缩试验中岩石从微观裂纹到宏观破裂的演化过程,获得单轴压缩条件下岩石破裂的演化规律及破裂模式。研究结果对完善岩体的本构模型具有一定参考价值。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。     

PFC及其在矿山崩落开采研究中的应用

介绍PFC的基本原理及其在岩土工程基础理论和工程应用研究中的主要功能，包括描述岩土介质材料基本力学特性的特点；概述PFC目前在国际上应用的现状及其在解决岩土体问题时的适用性和针对性。结合在进行矿山崩落法开采实际工程问题时PFC数值模拟的应用过程，介绍真实问题PFC应用研究的基本思想和工作步骤，包括模型构建与设置、材料模拟的数值试验以确定给定岩体的微力学参数、破裂发生和发展过程的追综记录等；同时，还给出具体工程崩落开采过程中的破坏形态、应力变化、围岩响应等。     

Simulating stress corrosion with a bonded-particle model for rock

A numerical model for rock that extends the formulation of the bonded-particle model (BPM) to include time-dependent behavior by adding a damage-rate law to the parallel-bond formulation is described. The BPM represents rock by a dense packing of non-uniform-sized circular or spherical particles that are bonded together at their contact points and whose mechanical behavior is simulated by the distinct-element method using the two- and three-dimensional discontinuum programs PFC2D and PFC3D (Particle Flow Code in 2/3 Dimensions). The extended model is called the parallel-bonded stress corrosion (PSC) model, because it mimics the stress-dependent corrosion reaction that occurs in silicate rocks in the presence of water. Force transmission through rock, and through a BPM, produces many sites of microtension, and it is postulated that stress-corrosion reactions may be occurring at these sites. The stress–corrosion process is implemented by removing bonding material at a specified rate at each parallel bond that is loaded above its micro–activation stress, and the form of the damage-rate law arises from considerations of chemical reaction-rate theory. Global force redistribution occurs throughout the process, and parallel bonds are removed from the system either by breakage (when their strength is exceeded) or by complete bond dissolution. The PSC model parameters can be chosen to match both the static–fatigue curve (time-to-failure versus applied load) and the damage mechanisms and deformation behavior (a creep curve showing primary, secondary and tertiary creep) of Lac du Bonnet granite.