不同倾角层状砂岩单轴压缩及数值模拟试验研究

地下层状岩体存在节理、断层等结构面,层状岩体是许多基础设施和地下工程的载体,层状岩体具有明显的各向异性。为探明具有不同结构面倾角岩石的力学性质和破裂模式对水利裂缝扩展的影响,人工制作不同角度结构面的岩石模型,并开展单轴压缩试验和ＦＬＡＣ3Ｄ数值模拟对岩样进行破裂模式和力学参数各向异性分析。结果表明当结构面倾角为0°时,试样发生劈裂破坏,宏观破裂面沿着结构面,结构面主导岩石的破坏模式;倾角为15°、30°和45°时,试样由劈裂张拉破坏逐渐转换为剪切破坏,宏观破坏面主要沿节理面发生,节理主导岩石破坏的作用开始逐渐削弱。倾角60°、75°和90°时,裂缝会穿过结构面,宏观破裂面不沿着节理层面。相同角度的饱水模型的单轴抗压强度明显降低,随着节理面倾角的减小,岩石单轴抗压强度出现先减小再增大的现象,图像趋势为“勺”形。研究结果可为矿区水力裂缝扩展趋势、岩层失稳破坏风险评估提供参考。     

层理特性对层状岩体剪切力学特性的影响研究

当前对层状岩体力学特性的研究多涉及抗压及抗拉特性,为研究层状岩体剪切破坏过程中的强度和弹性变形参数及破坏特征,通过基于人工制样方法,开展不同层理倾角、层理间距及层理粘结强度下层状岩体直剪试验,结果表明:随着层理倾角的增大,层状类岩体的抗剪强度指标呈现先增大、后减小、再增大的变化趋势,在３０°左右量值最大,在６０°左右量值最小;当层间粘结强度与岩层强度接近时,层理间距对其剪切特性的影响较小;层理粘结强度的提高会增强试样的抗剪强度。     

单轴压缩下层状岩体的各项异性研究

层理对岩体强度和各向异性特征都有重要影响,为了详细的研究层理间距和倾角对岩体强度 各向异性特征的影响,通过对类层状岩体标准试样的单轴压缩试验,得出了试样的强度和弹性模量随层 理间距、倾角的变化规律,并深入分析了试样的破坏形态,最后通过理论计算对试验结果进行了验证。 研究结果表明:岩体强度随层理面倾角的增加近似呈“Ｕ”型变化的规律,并在60°左右达到最小值;岩体 的弹性模量随层理面倾角的变化规律总体上是以45°为分界点,近似呈“Ｖ”型变化;岩体的强度、弹性模 量、破坏机制和各向异性比受层理面间距的影响均较小,层理间距为10ｍｍ的试样各向异性比为4．72, 层理间距为20ｍｍ的试样各向异性比为4．46,均属于高各项异性水平;试样破坏机理主要是剪切滑移和 张拉破坏,以及两者的组合。     

层理灰岩抗拉力学参数各向异性及破裂特征分析

山体斜坡在自重荷载或卸荷作用下常表现为侧向受拉,拉裂缝的形成及展布方向与层面产出状态密切相关。为探讨层理倾角对岩体抗拉力学特性与宏-细观破裂特征的影响,以三叠系大冶组中厚层状灰岩为研究对象,对0,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种倾角层理灰岩岩样进行巴西劈裂试验,并结合高精度三维激光扫描技术,获得了岩样拉伸力学参数和破裂面线粗糙度、盒维数随层理倾角的变化规律。研究结果表明：随着层理倾角的增加,灰岩抗拉强度与拉伸模量逐渐降低;张拉裂缝呈现出基体拉裂-拉剪复合-弱面层理张拉的破裂变化趋势;且最终破坏形态可分为直线型、月牙形与弧形;破裂面线粗糙度与盒维数值随层理倾角增加而先增大、后减小、再增大,起伏粗糙度与破裂面张拉作用大小呈正相关、与破裂面剪切作用大小呈负相关关系。研究结果可为进一步完善层状岩体张拉破坏内部演化机制研究提供参考。     

层状类岩体室内制样方法及单轴压缩力学机理研究

为了更好的开展层状岩体室内试验研究,结合现有层状岩体模拟试验试样制作方法的优点,提出一种新的制样方法。以环氧树脂类胶凝材料为粘结剂,通过浇筑、拼装、粘贴、切割、打磨、成型等工序,制作出基岩和层理力学特性均可控的层状类岩体试样。通过开展不同层理倾角下层状岩体单轴压缩试验,所获取的层状类岩体试样的弹性模量和峰值强度都随着层理倾角的增大而呈现先降低后增大的Ｕ型变化规律,符合实际天然层状岩体的变形和强度特征。     

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。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明:不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生;节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈;随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明: 不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生; 节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈; 随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为 45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型

岩石是典型的非均匀性材料,含有裂纹、颗粒胶结面等缺陷,建立三维岩石损伤破裂本构模型,真实模拟岩石宏细观力学特性,是岩石损伤力学中的首要问题之一。通过赋予损伤后细观单元一定的承压能力,使其成为"接触单元",模拟压缩状态下的物质接触愈合作用,建立考虑细观单元残余强度的统计损伤本构模型,给出损伤变量的演化规律,采用Weibull双参数分布模拟岩体细观参数的非均匀性和随机性,编制程序实现了三维模型的单轴压缩计算。开展圆柱形砂岩单轴压缩物理试验,将基于细观统计损伤模型的计算结果与物理试验结果对比。结果表明,数值模拟结果与砂岩单轴压缩试验中宏观弹性模量及单轴抗压强度一致,应力应变曲线相吻合。基于考虑细观单元残余强度的本构模型可以准确模拟砂岩试样逐渐从细观损伤累积到集聚成核断裂扩展直至破坏的全过程,数值模拟最终破坏形态特征与物理试验一致。验证了模型的有效性,为进一步采用本构开展不同荷载条件及岩体工程分析应用奠定了基础。     

三种倾角结构面对岩体变形破坏特征影响研究

以山西朔州麻家梁煤矿砂岩以及张集煤矿闪长岩为例,将岩样加工成60°,75°,90°三种倾角结构面的岩样,并对加工后的结构面进行水泥填充,进而研究3种倾角结构面对岩体力学特性与破坏形态的影响。单轴压缩试验与数值模拟试验结果表明:随着倾角的增大,两种岩性岩样单轴抗压强度都呈现上升的趋势,同条件下的闪长岩岩样单轴抗压强度要小于砂岩岩样单轴抗压强度;结构面倾角为60°与75°的岩样主要从顶部与侧面结构面附近萌生裂隙开始发生破坏,随着加载应力不断增大,岩体顶部应力集中部分将出现破碎并使岩体完全破坏,而结构面倾角为90°的岩样主要是由于岩体顶部萌生出大量竖向扩张劈裂隙使岩体发生破坏。     

考虑时效损伤的岩石分数阶蠕变本构模型

为准确描述岩石蠕变变形破坏全过程,引入连续损伤和分数阶微积分理论建立全面、简练的蠕变本构模型。首先基于弹性模量随时间衰减规律,根据能量损伤的方式定义损伤变量,构建考虑时效损伤的弹性体,并验证该损伤演化方式的可行性。采用Riemann-Liouville型分数阶微积分算子理论,构建具有非线性特征的分数阶软体元件,利用该软体元件作为分数阶黏滞体描述岩石黏弹性应变,在该软体元件的基础上进行损伤演化,得到考虑时效损伤的分数阶黏塑性体。联合分数阶黏滞体、考虑时效损伤的弹性体和分数阶黏塑性体,建立一个新的考虑时效损伤的分数阶蠕变本构模型。给出参数解析方法,利用泥质板岩蠕变数据验证模型合理性和优越性。分析损伤发展过程,判断模型参数敏感度,并通过红砂岩、千枚岩单轴压缩各向异性蠕变特性试验研究蠕变试验数据验证模型适用性。研究成果为岩石蠕变全过程辨识及岩体工程长期稳定性研究提供一定参考。     

低动应力下岩石分数阶Burgers本构模型

动荷载下岩石变形特性是岩土工程界的常见问题之一。为研究岩石低动应力下变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换Burgers模型中Maxwell常值黏壶,建立了可反映低动应力荷载作用下岩石变形规律的分数阶Burgers模型(Fractional-order Burgers Model,FBM)。将动荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于分数阶Burgers模型的岩石流变本构方程,再根据黏弹性力学理论,考虑岩石损伤、裂隙及塑性变形对动荷载下岩石储能柔量和耗能柔量造成的影响,引入储能和耗能柔量变化量,构建了循环荷载下基于分数阶Burgers模型的岩石动态响应本构方程式,最后将已获得的岩石流变本构方程式与动态响应本构方程式叠加,即得到一种新的岩石本构方程。与已有的试验结果相比,改进Burgers模型可较好地描述低动应力状态下岩石减速、等速2个阶段的变形特征,且模型参数可运用数值方法简便得到。     

基于畸变能理论的岩石损伤本构模型研究

加-卸载岩石损伤本构模型是预测压气储能硐室长期稳定性的关键,气压对围岩的作用力是反复变化的,目前能适用的本构模型较少,因此,提出一种能够描述分等级加-卸载的岩石损伤本构模型。根据岩石微元强度服从畸变能理论和Weibull 随机分布,建立了一种能够描述分等级加-卸载的岩石损伤本构模型。 通过试验对本构模型进行验证,并结合岩石单轴分等级加-卸载试验数据, 对分等级加-卸载的岩石损伤本构参数进行敏感性分析,确定参数的具体物理意义及参数演化与分等级加-卸载的关系。分等级加-卸载的岩石损伤本构模型参数物理意义明确,便于拟合,能够较好地符合工程实际情况。     

高温后岩石三轴变形及渗透率演化规律

对于深部采矿工程、核废料贮存、地热资源开发及利用等工程领域来说,岩石的热-力-液耦合研究是极为重要的。为研究高温后岩石变形及渗透率演化规律,对某塔里木地区矿井岩石进行不同温度下的热破裂处理后,进行了三轴应力下的加载试验,从强度、渗透率等方面对岩石力学特性进行了分析。结果表明:①加载初期,围压增大使渗透率降低,加载中期渗透率缓慢增大,加载后期渗透率急剧增大;②岩石渗透率随温度升高增大,且呈正指数增长;③温度低于一定值下岩石的热膨胀性不明显,而较高温度引起的热膨胀会明显破坏岩石结构,使其弹性模量和强度随温度的升高降低,渗透率随着温度的升高增大;④利用热力学理论,推导出温度变化时热应力所引起的岩石裂隙的变化,从而得到了渗透率随温度变化的模型。研究结果对于高温下多场耦合问题的研究有参考价值。     

干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩损伤演化及本构模型研究

干湿循环和动载耦合作用会导致煤矿岩石物理力学性质的劣化,引起地下岩体工程结构的破坏,诱发煤矿地下工程地质灾害和工程事故。基于纵波波速变化和Weibull分布统计损伤理论,推导了干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩的损伤演化方程,探讨了动弹性模量取值方法对损伤演化的影响,发现以动态应力-应变曲线30%与70%峰值应力连线的斜率作为动弹性模量更能反映出本次试验砂岩的损伤演化规律。在此基础上,分析了干湿循环次数对总损伤变量和总损伤率演化的影响,得出干湿循环与动载耦合作用后砂岩的总损伤变量随着干湿循环次数的增加而增大,总损伤率随应变增长先增加后减小;建立了干湿循环和动载耦合作用下砂岩的动态本构模型并对其进行了验证,以期为深部地下岩体工程稳定性分析提供依据。     

考虑层状岩体各向异性强度的地下厂房稳定分析

针对层状岩体的各向异性强度特征,基于带拉伸截止限的摩尔库伦准则,建立了综合考虑岩体和层面强度的各向异性强度准则,并且还考虑了岩体损伤对其强度的影响,给出了该强度模型的有限元实现方法,并据此专门编写了相应的Fortran有限元程序。将该模型应用于某水电站地下厂房三维有限元开挖计算中,研究了层状岩体各向异性强度对地下厂房围岩稳定性的影响。研究结果表明:与各向同性强度准则相比,考虑层状岩体各向异性强度后洞室围岩的应力和变形分别增加了1.4 MPa和20 mm左右,总的破坏量增加了8.7%。与现场监测数据的对比表明,考虑层状岩体各向异性强度进行地下洞室围岩稳定性分析更加合理。     

节理岩体宏微观损伤耦合的三维本构模型研究

提出了考虑宏微观损伤耦合的节理岩体本构模型,其中微观损伤模型采用基于应变强度准则和岩石微元强度服从Weibull分布的统计损伤模型,把其应用于被节理切割而成岩块。节理岩体损伤张量计算是该模型的一个关键问题,在已有的二维问题损伤张量计算方法的基础上对三维问题损伤张量计算方法进行了讨论。结果表明,所提出的本构模型能够较好地反映宏、微观两类损伤对岩体力学性能的影响。也能够较好地反映试件强度随围压的变化规律,因而较为合理。更多还原     

基于边坡稳定性的临界损伤质点峰值速度研究

为研究岩体爆破载荷作用下炮孔及边坡潜在滑动面近区的损伤特性,利用有限元强度折减法确定静载下边坡的折减滑动面,并基于此建立边坡的弹塑性本构模型进行数值模拟。将数值模拟结果与经典判据进行比较分析,确定不同损伤速度阈值下对应的爆心距及岩体破碎状态。同时基于边坡爆破数值模拟结果,探究有潜在滑动面的边坡岩体爆破时损伤、爆心距、质点峰值振动速度(v_PP)及岩石动态抗拉强度之间的关系,并分别通过经典判据、最大拉应力准则的v_PP判据和拉应力峰值与v_PP统计关系得到3个v_PP阈值,发现最大拉应力准则的v_PP判据获得的损伤阈值误差最大。此关系在实际工程中可对已有的基于最大拉应力准则的v_PP判据作出修正。     

基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

裂隙岩体的渗流场与损伤场耦合分析模型及其工程应用

利用流体扩散能量叠加原理，建立了裂隙岩体介质的渗透张量数学表达式。综合运用断裂力学和损伤理论，探讨了复杂应力状态下多裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的启裂准则，建立了裂隙岩体在压剪，拉剪应力状态下损伤演化方程，给出了裂隙岩体损伤场与渗流场耦合方程。在此基础上，用已编成的有限元计算程序对三峡永久船闸高边坡稳定性进行了分析。