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。     

改进的拉氏乘子法在接触摩擦问题中的应用

以节理单元的刚度系数作为罚方法中的罚参数，将改进的拉格朗日乘子法应用于接触摩擦问题。给出了模拟物体接触时粘结、滑动与张开或闭合的迭代求解格式及刚度对称化方法。并对某坝基变形进行了分析。     

弹性纵波在具有非线性法向变形本构关系的节理处的传播特征

对正向入射弹性纵波穿越岩石节理的过程及特性进行理论研究，所研究的岩石节理具有非线性法向变形本构关系。在没有剪切波的情况下，探讨节理的非线性法向变形行为对弹性纵波传播的影响。传统的有关应力波在节理处传播的线性位移不连续理论模型。发展为非线性模型-双曲模型（BB模型），依据此模型，获得了节理透射和反射系数的数值解。该数值解用来进行一系列的参数研究，包括节理初始刚度，节理闭合量相对于最大允许闭合量的比率以及入射波的振幅和频率对节理透射系数的影响等参数研究。也对线性和非线性位移不连续理论模型作了比较。结果表明，线性模型得到的透射和反射系数解是非线性解的一种特例，即当入射波的振幅很弱以至于在波传播中产生的最大节理闭合量相对于最大允许闭合量足够小的条件下，非线性与线性解等同，此外，还发现当波在节理处传播时，节理的非线性变形行为会引起一种高谐波现象。     

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。     

四种岩石的摩擦滑动特征

用双剪法对四种岩石的摩擦滑动特征进行了实验研究。研究的岩石有济南辉长岩、点苍山大理岩、周口店石灰岩和小浪底砂岩。实验的正应力为20、40和近60MPa。实验表明辉长岩岩块在上述正应力下均发生粘滑现象。当正应力为20MPa时,粘滑过程中出现位移弱化现象。当正应力为40和52.5MPa时,在粘滑过程中保持稳定的摩擦强度。当正应力为57MPa时,粘滑过程中出现位移强化现象。大理岩和砂岩当正应力为20MPa时发生稳滑,当正应力提高到40MPa时发生粘滑并出现位移弱化现象。石灰岩实验未观察到粘滑现象。辉长岩与大理岩之间的摩擦出现粘滑,位移弱化现象非常显著。摩擦强度除砂岩等于拜尔利(Byerlee)定律的值外,其它资料均低于拜尔利定律的值,在出现位移弱化场合,粘滑发生前的声发射前兆不显著,而出现位移强化的场合,粘滑的声发射前兆非常显著。本文分析了出现位移强化和位移弱化的原因,讨论了摩擦滑动实验研究的意义。     

接触摩擦单元的理论及其应用

本文在Ｋａｔｏｎａ的基础上提出以新接触摩擦单元直接取节点接触应力作为基本未知量，模拟两物体间的摩擦滑动、张开和闭合过程。接触单元的几何和静力约束条件在刚度方程中作为补充方程。运用虚位移原理导出了适用的等效单元刚度－约束矩阵，并给出了相应的对称化方法，使该单元具有容易与标准有限元程序联接和计算稳定的优点。计算的结果与理论解非常吻合。作为应用实例，还研究了节理对混凝土坝基的影响。     

节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散 试验研究

为研究闭合和张开节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展机制,采用有机玻璃模型,用切缝药包形成初始裂纹,进行爆炸加载下透射式动焦散试验.试验结果表明:2种节理对裂纹扩展影响都很大,初始裂纹都没穿过节理,但在节理两端产生翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展;在张开型节理试验中,切缝药包爆炸后25 μs时节理两端出现焦散斑,2条翼裂纹最长只有2.5 cm;闭合型节理则在1 μs时产生焦散斑,比张开型产生的时间早了24 μs,翼裂纹最长达5.6 cm.2种试验中翼裂纹尖端复合动态应力强度因子呈由小变大再变小振荡变化的趋势,初始阶段动态应力强度因子低于,闭合型应力强度因子峰值为1.72 MN/m3/2,大于张开型峰值1.28 MN/m3/2.研究结果可为节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据.     

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。     

基于Barton剪胀模型的粗糙节理渗流分析

 为研究粗糙节理在剪切过程中的渗流规律,首先,采用Barton剪胀模型分析节理在剪切过程中的剪胀效应,计算节理在不同剪切位移下的剪胀位移,采用Brown-Scholz(B-S)理论模型分析法向应力作用下的节理闭合变形;通过初始隙宽、法向闭合变形和剪胀位移建立剪切过程中的节理隙宽与法向应力和剪切位移之间的关系,在此基础上得到剪切过程中的节理渗流计算公式;然后,在对节理试件进行渗流试验的基础上,分别采用基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式和Barton经验公式计算通过节理试件的理论渗流流量,并将预测结果与实测值进行比较,比较结果表明,基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式的预测结果与实测值较为一致,而Barton经验公式预测值与实测值偏差较大,从而验证了该公式在计算节理剪切过程中的渗流情况的正确性。     

非线性法向变形节理对弹性纵波传播的影响

从波的弹性位移出发，推导线性位移不连续模型，然后引入等效位移假设，建立节理非线性位移不连续模型。依据所建立的非线性模型，获得垂直入射纵波在非线性法向变形节理处传播的透射和反射系数的解析解。利用该解析解，研究节理初始刚度、节理闭合量与允许闭合量的比率以及入射波频率对节理透反射系数的影响，并与已有的数值计算结果进行比较，两者吻合很好。     

三维块体离散元可变形计算方法研究

 在三维刚性块体离散元的基础上,研究可变形块体离散元方法,并编制相应的可变形块体离散元程序。该方法把块体单元看作弹性体,并对其划分有限元网格,对每个可变形单元的计算是假设在力边界条件下求解可变形单元的节点位移;可变形块体之间力和位移的传递是通过构筑的节理单元实现的,节理单元反应岩土工程中实际节理的变形性质和强度特征,结构面破坏前,体现了连续介质计算方法的特点,结构面如果发生破坏,预设节理处的节理单元直接转变化为法向和切向弹簧,体现了离散元计算方法的特点。另外,节理单元有实际的厚度,可以根据实际节理的性质确定计算参数,这一点也体现出了对刚性块体离散元方法的改进。与刚性块体离散元方法比较,该方法可以反映岩体变形性质,如泊松效应、三维岩体中的真实波速,它还可以模拟结构面的破坏演化过程;与有限元方法比较,它可以更好地描述岩体中节理的特征,允许单元有较大的位移;相对于以前的可变性离散元方法,它既克服了有限差分格式带来计算上的复杂,又建立在三维模型的基础上,为有关岩土工程的数值分析提供了一个可行的数值方法。     

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.     

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。     

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

 基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示：地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用：当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。     

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

乌东德拱坝坝肩三维抗滑稳定分析

 基于非线性有限元分析,采用三维有限差分程序FLAC3D,对乌东德拱坝联合坝肩岩体进行三维弹塑性数值模拟。由拱座岩体内不连续裂隙产状确定9个可能滑动楔块。将有限元计算的应力值通过插值转移到楔块滑面上,以滑面内短小裂隙建议连通率为依据折减滑面抗剪强度,采用三维矢量和法计算楔块安全系数。弹塑性计算结果表明,坝肩岩体在荷载条件下位移、应力分布基本对称河谷,但是受近坝断层F15,f42及K25岩溶系统影响,右坝肩受影响范围略大于左岸。正常蓄水条件下9个楔块具有较高的安全裕度,温升荷载导致大部分楔块稳定性降低,温降荷载主要对右坝肩稳定不利。地震荷载条件下,所有楔块稳定性大幅降低,平均降低30%,最大降低53.9%,坝肩岩体整体仍能保持稳定。     

地震载荷作用下的节理岩体破裂模型

考虑了地震水平加速度的作用,建立了裂隙岩体的破裂模型,分析了在水平加速度作用下节理组的倾角、节理长度及间距对岩体破裂的影响。分析表明,节理的倾角越大,岩体越容易破坏;节理组的倾角增大过程中,岩体节理的破坏模式逐步由以剪切滑移破坏为主转为以张拉破坏模式为主;当节理的间距与长度的比值在一定的范围内时,该比值越大,岩体越容易破坏,同时,节理的长度越大,岩体越容易破裂。该模型对于地震载荷作用下的岩体安全性分析具有重要的意义。     

反倾层状岩质高边坡开挖变形破坏机理研究

在龙滩工程工程地质条件、地应力测试和试验洞变形监测结果综合分析的基础上,建立了地质概化和边坡施工开挖模型。以监测信息为基础,假定初始地应力场近似符合线性分布,采用二维显式有限差分法对龙滩工程左岸进水口边坡1-1剖面进行了自重平衡和开挖施工的模拟。由分析获得了反倾层状岩质高边坡临界节理发展、节理张开度和变形等边坡破坏因素之间的规律。通过对开挖到480 m平台和313 m平台时情况的对比分析,找出了开挖对边坡破坏的影响,即会使临界节理发育和节理张开尺度增大。通过离散元程序(UDEC2D3.1)对边坡开挖的模拟分析,客观评价了边坡的稳定性及其可能的破坏形式。     

Damage around a cylindrical opening in a brittle rock mass

This paper presents an application of the sliding/wing crack model to the problem of a cylindrical opening in a brittle rock mass subjected to a hydrostatic stress field. The rock mass is assumed to contain a uniform initial distribution of microcracks. These microcracks serve as sources of stress concentration, and can propagate tensile wing cracks at their tips in a compressive stress field. It is shown that the sliding/wing crack model can essentially reproduce the complex stress–strain response obtained in laboratory experiments. The stress and displacement field induced by excavation of a tunnel in such a brittle rock mass is determined using the Biot Hodograph Method. The condition for instability of the tunnel can be inferred from the wing crack density, which characterizes the degree of rock damage around the tunnel.