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。     

断续节理直剪试验与PFC2D数值模拟分析

 在以往有关断续节理模型试验和数值模拟的研究基础上,设计不同连通情况和法向应力的断续节理模型材料直剪试验,并采用颗粒流离散元软件PFC2D对模型试验进行全真数值模拟。以贯通节理试样、完整试样的剪应力–应变数值模拟曲线和模型试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取准则,并利用获得的细观力学参数对共面断续节理试样直剪试验进行数值重现。对比分析数值模拟曲线和模型试验曲线,对断续节理受剪贯通的力学机制进行研究。根据模型试验和数值试验的成果,分析断续节理预剪面上应力随剪应变的演化过程,发现剪切过程中的剪胀效应使得岩桥承担更多的压应力,从而提高了岩桥的抗剪强度。对断续节理岩体在直剪加载条件下的破坏机制进行讨论,将整个剪切过程分为线弹性阶段、初裂阶段、峰值阶段、峰后阶段及残余阶段5个阶段。     

不同充填度对节理剪切破坏机理的影响

岩体的力学性质主要受制于节理的力学性质,而节理充填物对节理的力学性质有较大影响。为研究节理充填物厚度对节理力学性质的影响,采用水泥砂浆制作不同充填度的规则人工节理进行剪切试验,并采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件研究该节理的破坏机理。试验与数值模拟结果表明:随着法向荷载和充填度的增大,节理峰值剪切强度增大,剪胀特性减弱;随着起伏角的增大,节理峰值剪切强度增大,剪胀特性增强。在节理剪切过程中,充填体首先发生破坏,此后再产生剪切断裂和剪胀破坏。在不同的法向荷载、充填度和起伏角条件下,节理破坏为滑移破坏、剪切断裂破坏和拉伸断裂破坏3种,低法向荷载和低起伏角时,滑移破坏为主,拉伸断裂发生于起伏角较大的节理中,而剪切断裂破坏多以节理和充填体共同破裂组成,发生于法向荷载与充填度均为中等大小的情况。当充填体厚度与齿形凸起高度相当时,节理破坏主要为充填体剪切破坏。     

非贯通节理岩体剪切力学行为细观模拟分析

通过引入光滑节理模型,可真实地反映剪切过程中节理岩体力学行为。采用颗粒流软件,从细观角度研究了不同连通率条件下剪切过程中裂纹扩展规律和剪裂面应力分布特征。研究结果表明:颗粒流数值模拟软件可以较好地再现和重复节理岩体直剪试验;细观数值模拟分析可得到剪切过程节理岩体剪切面应力分布情况;随连通率增大,节理岩体对应峰值强度减小,产生张拉裂纹比例降低;在剪切过程中剪应力不断变化,试样受到的水平剪切力主要由中间岩桥承担,两边节理只承担小部分剪力。     

充填节理宏细观锚固破坏机理分析

为分析充填节理的宏细观锚固破坏机理,利用颗粒流程序(PFC~(2D))生成6种上下面具有不同粗糙度的充填锚固节理面模型,探究其在剪切过程中宏细观破坏变化以及粗糙度对锚固充填节理抗剪强度的影响。研究结果表明:加载过程中充填物两侧颗粒位移差明显,首先发生破坏,而锚杆在节理面与胶结物之间发生剪切滑移后才开始发挥抗剪作用。6种充填节理面组合锚固后其峰值剪切强度均比锚固前增高,但增量不同。当节理面上下粗糙度接近时,充填物形状规则,齿状起伏小,锚固效果较好,峰值剪切强度增加量在40%左右;当节理面上下粗糙度相差较大时,充填物齿状起伏大,易剪碎,锚固效果较差,峰值剪切强度增加量约为20%。     

不同位置和尺寸的裂隙对岩体破坏影响的试验研究

为研究节理裂隙岩体中节理位置和尺寸对岩体综合抗剪强度的影响,以水泥砂浆作为模型材料,通过在试件的不同位置预制相同长度的节理裂隙和相同位置预制不同长度的节理裂隙,进行不同法向压力下3种具有不同起伏角的节理面剪切试验。试验结果表明:当节理位置和长度一定时其抗剪强度随法向压力增加而增加;对于同一节理裂隙,当其位于试件中间时抗剪强度和黏聚力最小,位于试件后端时抗剪强度和黏聚力最大,位于试件前端时介于两者之间;内摩擦角随节理位置的变化规律不明显;当节理裂隙位置固定时,节理裂隙越长,抗剪强度和黏聚力越低,且抗剪强度随节理长度的增加呈近乎线性的减小。节理位置和尺寸对综合抗剪强度的影响可能由于节理、岩桥的强度参数及岩桥内部损伤劣化程度共同作用所致,现场节理岩体的抗剪强度取值应考虑节理的位置影响。     

不同锚固角加锚无摩擦节理面剪切试验研究

为进一步阐明锚固角对锚固节理抗剪作用的影响,开展了无摩擦锚固节理双面剪切试验。对比不同锚固角情况下锚固节理的抗剪强度,分析锚固角对锚固节理抗剪性能的影响。试验采用应变片测量节理岩体中锚杆在节理面位置处的轴力,研究锚固节理在剪切荷载作用下锚杆的轴力变化规律以及变形特性。试验结果表明,锚固角增大,锚固节理极限荷载、屈服荷载以及抗剪刚度先逐渐增大后逐渐减小,在锚固角为60°时达到最大值;不同锚固角锚杆最终破坏模式不同,锚固角较小时,锚杆发生拉剪破坏;锚固角较大时,锚杆发生拉弯破坏;试验也发现,剪切位移较小时,锚杆的抗剪作用就已经充分发挥。     

岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析

 基于颗粒流理论和PFC程序,在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力加载状态的选取等问题后,较为完善地实现岩石节理PFC数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度深入探讨节理在直剪试验过程中的力学演化特征和破坏机制。结合已有的节理直剪试验成果,进行室内试验和计算结果的对比分析,验证计算方法的可靠性。研究成果如下：(1) 随恒定法向荷载的增大,剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增大,节理面上黏结破坏颗粒增多,而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低;(2) 随剪切位移的增加,节理面上粒间法向接触数不断减少,接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转,而粒间接触压力不断增大,裂纹不断沿节理面附近产生,破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈;(3) 数值试验得到的剪切阻抗值普遍高于试验值,但减小模型颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明,新提出的颗粒流计算方法非常适用于岩石节理直剪试验的数值模拟,可为室内节理直剪试验和PFC节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的参考。     

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。     

考虑实际接触三维粗糙度退化的软岩节理剪胀规律预测模型

为预测岩石节理的剪胀变形行为,分析了恒法向荷载作用下实际接触微凸体三维粗糙度在剪切过程中的退化规律,提出了一个适用于软岩节理的剪胀曲线预测模型。在剪切荷载作用下节理法向位移的变化是节理在三角形微凸体侧面爬坡上升行为与爬越一些微凸体顶点后闭合行为的叠加,爬坡行为与闭合行为引起的位移都正比于节理最大可能剪胀角。最大可能剪胀角退化的实质是实际接触节理微凸体平均等效倾角的退化。通过分析初始剪切与残余应力阶段的节理形貌特征,提出了计算初始最大可能剪胀角与残余应力阶段剪胀角的模型。基于软岩节理不发生突然脆性破坏的假设,进一步通过研究剪切过程中节理微凸体退化规律,量化了最大可能剪胀角的变化规律。定量了节理爬坡行为、闭合行为与最大可能剪胀角之间的关系,进而提出了节理剪胀规律预测模型,通过试验验证了模型的有效性。模型可较准确预测软岩节理的剪胀规律,并可合理描述节理初始阶段剪切压密行为。     

土石混合料–基岩接触面剪切力学特性及剪切带变形特征研究

土石混合料–基岩接触面剪切力学特性因受多种因素影响而极其复杂，其中，界面细观形态是影响剪切力学特性及剪切带变形特征的重要因素之一。基于大型叠环单剪试验以及PFC^2D数值模拟，揭示基岩界面细观形态对土石混合料–基岩界面剪切力学特性和剪切带特征以及演化规律的影响。结果表明：接触面抗剪强度随粗糙度增大而增大；粗糙度为表观黏聚力主要控制因素，当粗糙度由8.9增至11.5时，表观黏聚力提高95.3%；粗糙度对界面摩擦角的影响作用较小，界面摩擦角在27°上下波动。界面细观形态凹槽结构在一定倾斜角度内可发生“自锁”效应，凹槽内土石形成锁固体，锁固体可增大接触面抗剪强度，控制剪切带沿其外轮廓发展，出现“绕石”现象。平缓界面处块石具有“滞后效应”，易与周边土石形成强度远小于锁固体的“类锁固体”，控制剪切带绕其外轮廓与基岩界面分岔发展，使剪切带出现“包石”现象。基于能量变化，将剪切过程分为3个阶段：剪密阶段：应变能与摩擦能快速增长；线性增加阶段：应变能与摩擦能增长速率比例近似保持9∶1；应变硬化阶段：应变能占比持续下降，但仍占据主导地位。     

基于岩桥力学性质弱化机制的非贯通节理岩体直剪试验研究

 基于岩桥力学性质弱化机制,采用带伺服系统的直剪试验仪进行试验,在5级法向应力下,对3种含齿形节理的非贯通节理岩体进行直剪试验,研究非贯通节理岩体的强度特性和变形特性。在较低的法向应力下,含起伏角较低齿形节理面的非贯通节理岩体出现破坏模式I(张拉破坏模式)。在较高的法向应力下,含起伏角较高齿形节理面的非贯通节理岩体可能出现破坏模式II(先张拉后剪切破坏模式)。相同齿形节理面形貌的非贯通节理岩体,随着法向应力增大,峰值切向位移增大,抗剪强度增大。在相同的法向应力下,随着齿形节理面起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移减小,抗剪强度增大。非贯通节理岩体黏聚力按Jennings方法计算值大于按试验拟合值;节理面较粗糙非贯通节理岩体内摩擦角按Jennings方法计算值大于按试验拟合值。     

地下工程岩体剪胀与锚杆支护的相互影响

 探讨隧道开挖边界附近的岩体剪胀对全长黏结式锚杆轴力分布的影响,区分依赖围压和塑性剪切应变的岩体剪胀与恒定的岩体剪胀对锚杆支护作用影响的差异性,分析锚杆对岩体膨胀的抑制作用。研究结果表明,对于恒定的剪胀角值,锚杆轴力随着剪胀角的增加而增加,且梯度亦随之增加,但其不能反映剪胀对隧道围压和岩体塑性变形的依赖关系,从而低估锚杆在低围压区域内遭受的张拉荷载,并高估高围压区域的所受的张拉荷载。由剪胀角模型计算得出的锚杆轴力分布突显锚杆在低围压环境下承受的较大张拉荷载状态,以及围压增加导致其轴力快速降低的行为趋势,能够合理反映锚杆在地下工程应用中的力学行为。由于锚杆支护增加岩体围压,抑制高剪胀区的扩展,从而减小隧道围岩的变形。在地下工程支护设计中,应重点支护紧邻开挖面低围压环境的岩体以有效地控制其破坏和膨胀变形。     

岩石多裂纹剪切断裂数值试验研究

节理岩体在剪切力作用下的破坏方式常表现为相邻节理的扩展与贯通，因此，研究含预制多裂纹岩打的抗剪强度和破坏模式对工程设计具有重要意义。应用RFPA系统对含断续裂纹剪切试样的断裂过程进行了数值模拟研究，讨论了不同裂纹几何分布对破坏模式和峰值强度的影响。研究结果表明。在相同围压条件下，裂纹贯通模式丰要受裂纹的几何方位控制：由于试样细观缺陷非均匀性的存在，导致岩行断裂主要由拉伸破坏引起，但拉剪混合破坏仍然存在，并对抗剪强度有较大的影响。     

基于水平集坐标的二维压剪节理动态扩展过程无网格法模拟研究

 发展能有效模拟岩体节理拉压破坏动态扩展过程的无网格模拟方法,构造岩体节理张开和闭合接触摩擦行为的无网格法近似函数,采用水平集坐标描述和捕捉节理在扩展过程中的几何信息。当节理张开时,引入断裂线,并采用衍射准则引入位移跳跃项。当节理闭合时,提出类似于Goodman接触摩擦单元的无网格近似函数构造方法,考虑节理面上、下两侧的相对滑动和法向接触。与Goodman单元或以往的无网格模拟不同,本文的接触方法基于材料点而非结点,并与水平集坐标更新算法结合,在处理节理模型生成和动态扩展后的模型更新上更灵活、简便,且具有通用性。通过测试拉剪、压剪破坏单节理和雁行节理的静态和动态破坏扩展过程的算例,验证了本文方法的正确性和有效性。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明:①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力–应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

节理面对千枚岩物理力学性状的影响

节理面对岩体物理力学性状具有显著影响。以千枚岩为例,开展常规三轴压缩试验,讨论节理面与最大主应力夹角、围压对岩石破坏模式的影响。结果表明:1)节理面与最大主应力夹角在5°~45°,破坏模式有张拉-剪切复合型破坏、横交节理面剪切与沿节理面滑动的复合型破坏以及沿节理面间的剪切滑动破坏三种;2)随节理面与最大主应力夹角增大,峰值强度逐渐降低,破坏模式发生由复合型向单一型的转变;3)千枚岩变形、强度参数具有明显"夹角效应",节理面与最大主应力夹角对弹性模量和黏聚力影响较为显著;4)围压增大会降低岩石节理面的力学效应。     

岩石节理剪切力学行为的颗粒流数值模拟

 利用颗粒流程序生成岩石节理直剪试验数值模型,进行不同法向应力作用下节理直剪试验的颗粒流数值模拟,研究节理的宏细观剪切力学行为,以及不同法向应力作用下微裂纹的发育及演化规律。结果表明：模型试件在直接剪切过程中表现出类似于真实节理的宏观力学行为,试件的抗剪强度和剪切峰值剪胀角对法向应力的依存关系体现出与JRC-JCS模型预测结果良好的一致性;模型试件主要在节理面两侧的微凸体附近产生接触压力集中现象。法向应力越大,接触压力集中区越多,集中程度越高;随法向应力不断增大,试件内微裂纹的发育速度逐步提高,剪切裂纹发育数目在微裂纹总数中所占的比例逐步增大,但仍远少于张性裂纹;节理面上接触压力的分布特征与模型试件内微裂纹的发育规律一致;节理在外荷载作用下的剪切破坏是节理面上微裂纹汇集贯通的结果,“压致拉”效应在此过程中起主导作用。     

节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。     

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。