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。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

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。     

节理剪切试验及其表面形貌特征变化分析

 节理表面形貌是影响节理抗剪强度的重要因素之一。采用试验方法研究岩石节理表面形貌与其抗剪强度之间的关系;运用RYL–600岩石剪切流变仪对天然岩石节理在不同法向应力下进行剪切试验,得到不同法向应力下节理的抗剪强度曲线,并运用TALYSURF CLI 2000扫描仪将节理表面在每次剪切前后进行高精度激光扫描测试,得到岩石节理表面的三维扫描图。分析节理在不同法向应力作用下的抗剪强度与节理表面形貌变化的关系,计算岩石节理表面轮廓平均角的加权平均值 ,发现随着法向应力的增加,节理峰值抗剪强度增加,随着剪切次数增加, 呈减小趋势。说明节理的抗剪强度与法向应力和节理表面形貌特征参数 有关。     

节理剪切过程中锚杆的变形分析

当锚杆与砂浆的粘结未破坏时，以指数曲线来描述锚杆的侧剪应力分布；而对于锚杆与砂浆的粘结遭到破坏的区段，采用抛物线来拟合。给出了粘结破坏和未破坏两种情况下锚杆的轴应力-轴位移关系，提出利用锚杆拉拔实验数据来反演确定计算中所用到的参数。并在缺少实验数据的情况下，给出了一些参数的估计方法。根据岩石是否遭到挤压破坏，分别给出了锚杆的横向剪应力与横向位移的关系式，分析了剪切过程中锚杆加固节理的剪应力-剪位移关系，讨论了对锚固节理剪切变形刚度有重要影响的一些参数。分析表明．高的岩石单轴抗乐强度、较大的锚固面积比有助于提高锚固节理的剪切刚度。分析还表明，倾斜锚杆加固的节理比垂直锚杆的剪切刚度更大，倾斜锚杆以较小的剪切位移调动了更大的剪切阻力；倾斜锚杆加固的节理抗剪强度比垂直锚杆大，提高锚固面积比能显著提高节理抗剪强度。     

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。     

变饱和度条件下粗糙岩石节理剪切强度特性的试验研究

为探究节理剪切性质随饱和度变化的演变规律,首先采用三维激光扫描技术和3D打印技术相结合的手段,通过将水泥、砂、粉煤灰和水按1 ∶ 3 ∶ 0.4 ∶ 0.55的配比混合,从而复刻出3种不同粗糙度的类岩石节理,并根据计算得到的节理空隙体积对饱和度进行控制,随后采用自主研发的岩石直剪试验系统,对3种粗糙度的复刻节理开展了在...     

基于颗粒流程序的仿真节理岩体模型及其应用

为实现采矿巷道周边节理网络的仿真模拟以及节理岩体中巷道的稳定性分析,构建了包含颗粒流块体模型、原生节理网络和次生节理网络的仿真节理岩体模型。针对岩体内部次生节理产状和面积不可准确测量的难题,提出了卸荷作用下次生节理产状和面积的计算方法:根据开挖前后应力张量变化计算卸荷方向,利用Fisher分布函数生成围绕在卸荷方向附近的随机节理产状;监测卸荷前后颗粒中储存能量的变化,计算节理面积和半径。通过布置测线方式获得巷道中原生节理密度和产状信息,利用Monte-Carlo方法实现对原生节理的重建;利用次生节理计算方法实现次生节理网络的建立,从而建立仿真节理网络以及仿真节理岩体模型。计算结果显示:无节理模型中顶板和底板先破坏,以张拉破坏为主;而在仿真节理岩体模型中节理部位最先破坏,原生节理以剪切破坏为主,次生节理以张拉破坏为主,在高应力作用下巷道周边基本全部破坏,需整体支护且重点在左右两帮。该计算方法可为节理岩体中巷道的稳定性计算提供参考及建议。     

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明：在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。     

非规则岩石节理峰值剪切试验与强度经验公式研究

为研究常法向应力下岩石节理的剪切强度特性,采用劈裂法制取不规则砂岩、花岗岩节理试样,在借助三维形貌扫描仪获取岩石节理形貌参数后,采用RDS-200岩石节理剪切试验系统,开展不同法向应力下岩石节理直剪试验,基于峰值剪胀角与法向应力、节理形貌和节理抗变形能力的关系,提出不规则岩石节理剪切强度经验公式.研究结果表明:整体上峰...     

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。     

高速剪切条件下土的颗粒流模拟

 以高速环剪仪试验为原型,利用颗粒流模拟程序PFC建立无黏性土的环剪模型,进行在高速剪切条件下的环剪试验。通过将模拟试验结果与高速环剪仪所作砂土剪切试验结果进行对比,模拟试验和高速环剪试验试样的不均匀系数分别为1.64和1.45,2个试验的应力变化趋势相近,应力水平接近,模拟结果所反映的应力变化与物理试验的一致。模拟试验中代表土颗粒的球单元之间的接触模型采用的是线性接触模型,适合模拟无黏性土。模拟试验中发现剪切边界对剪切带的形成影响较大,对比墙、球环和球环+齿状结构3种剪切边界的剪切效果发展,球环+齿状结构的剪切边界可以保证剪切试样内外剪切速率的一致性。     

直剪试验颗粒流模拟参数敏感性分析

利用离散元颗粒流程序PFC2D对砂土的直剪试验进行了模拟,试验中通过改变颗粒的孔隙比、接触刚度和粒间摩擦系数等微观参数的取值,来探究宏观参数如初始弹性模量和内摩擦角的变化。得到颗粒的平均配位数随孔隙比的变化曲线、不同围压下颗粒的法向重叠量随颗粒刚度的变化曲线和材料内摩擦角和颗粒摩擦系数间的关系曲线,有益于理解土体的本构模型。     

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

 为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。     

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

 以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论：(1) 在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2) 声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3) 每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4) 声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。       

深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟

 由于颗粒流程序(PFC)对岩石基本力学特性的描述是从颗粒间接触状态及其变化特征入手,因此PFC能够克服由于岩石本身细观特性所造成的描述上的困难,实现在岩石模型中对细观结构的模拟,而这些都是传统断裂力学理论无法解决的。针对锦屏深埋大理岩在破裂过程中表现出的时间效应,通过在平行黏结模型中引入损伤速率概念形成平行黏结应力腐蚀模型(PSC),结合室内大理岩静态疲劳破坏试验,确定PSC模型中的相关细观力学参数。利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟,分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征。研究结果表明,利用PFC能够展现出与岩石破裂过程相符的细观特征,而这些细观表现有利于更好地理解脆性岩石强度的时间效应。