节理岩体损伤断裂时效机理及其工程应用

节理岩体作为岩体力学的研究热点，受到国内外许多学者的高度重视，人们在节理岩体的本构关系、破坏机理、强度理论等方面做了大量工作，但由于岩体中节理、裂隙分布的随机性及其力学特性的复杂性，一般很难正确评价含有节理、裂隙演化、扩展及贯通过程的岩体的强度特性。论文通过模型试验、理论分析和数值计算方法系统地研究了断续节理岩体的蠕变损伤断裂机理，主要研究成果如下：（1）通过相似材料模型试验的方法研究了含雁行裂纹脆性材料在单轴和双轴压缩条件下的扩展和断裂机制。从实验结果看，顺向排列雁行裂纹具有张拉型、剪切型和拉剪复合型三种贯通机制。然后从宏观概化的等价力学模型的角度，研究了断续节理面和岩桥的共同作用原理，建立起岩桥在不同贯通模式下，其起裂、扩展和贯通的强度计算方法。（2）通过Schwarz交替解法给出任意两裂纹间相互作用影响因子的计算方法，在此基础上，建立了分支裂纹的扩展模型和分支裂纹长度的计算方法。（3）在考虑裂纹蠕变相互作用的基础上，提出了节理、裂隙在压剪应力场中蠕变断裂和分支裂纹生长的等效模型。（4）综合应用断裂力学、损伤力学、非局部场及流变学理论，从损伤引起裂纹扩展和裂纹扩展又进一步引起损伤演化和累积的角度，建立了岩体非弹性变     

加锚节理岩体裂纹扩展失稳的突变模型研究

为弄清裂纹扩展性态与岩体稳定性的关系及锚杆的增韧止裂作用，建立了压剪应力状态下加锚节理面抗剪强度与锚固参数之间的关系，并用突变理论建立了加锚节理面压剪应力状态下分支裂纹扩展的突变模型，对于全面了解裂纹扩展过程及评价岩体稳定和提前合理采取加固措施具有重要意义。     

加锚断续节理岩体断裂损伤模型在硐室开挖与支护中的应用

应用断裂力学与损伤力学理论，对复杂应力状态下脆性断续节理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽理论，建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型；且建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。基于以上的本构模型和损伤演化方程，编制三维有限元程序，并将其应用于琅琊山抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖与支护工程的稳定性分析中，研究地下厂房硐室在开挖支护过程中的稳定性。重点分析硐室围岩在开挖过程中的应力状态、变形特性及损伤演化过程。将计算所得出的硐室开挖边界附近的位移值与原型观测值进行比较，得出一些对工程有指导意义的结论。     

多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

岩体断续节理受压剪荷载的弹塑性分析

运用弹塑性断裂力学的裂纹线场分析方法，将描述岩体材料破坏特性的摩尔－库仑准则，列入求解岩体内节理断裂问题的基本方程中，对节理裂隙在压剪荷载下进行求解，利出了节理线附近的弹塑性区应务场。通过弹塑性场在其边界上的匹配条件，得出了节理线上塑性区长度与压剪荷载的关系，以及节理扩展破坏准则。     

含内置裂隙的节理岩体的剪切行为数值模拟

工程节理岩体中含有大量内置裂隙,裂隙的扩展对岩体稳定性有重要影响。节理扩展后的网格处理和断裂准则一直是有限元模拟此类问题的难点。为了研究剪应力作用下内嵌裂纹的扩展规律,本文应用三维单元劈裂法对这一问题进行数值模拟研究。单元劈裂法可以避免裂纹扩展时需要网格重构的麻烦;同时本构采用增强虚内键模型(AVIB),直接将材料的损伤断裂准则嵌入到本构方程,无需额外的断裂准则。对不同法向应力下内嵌裂纹在剪应力下的扩展规律进行了数值试验,模拟结果表明,根据法向应力的大小,内嵌裂纹的扩展模式分为3类:(1)低法向应力时,裂纹以剪切破坏模式扩展;(2)在中等法向应力情况下,裂纹以压剪混合模式扩展;(3)在高法向应力作用下裂纹的扩展类似于单轴压缩破坏。随着法向应力的增加,剪应力对裂纹扩展的影响作用减弱,裂纹体的强度先增加后减小。     

复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用

应用断裂力学和损伤力学的理论,研究断续节理岩体开挖卸荷过程中渐近破坏的力学机制,从压剪和拉剪两种应力状态出发,建立了复杂应力状态下断续节理岩全的损伤演化方程,并将其应用于某矿山开采过程围岩破坏特征分析中,结果表明理论计算与工程实践较为吻合。该方法为定量分析地下工程围岩破坏过程提供了理论依据。     

节理岩体强度的分形统计分析

岩体中存在大量节理、裂隙，导致岩体力学性能弱化。基于岩体节理断裂扩展和剪切滑移2种失稳破坏机制，运用分形和统计断裂力学方法探讨了2种破坏方式下节理岩体的统计强度。结果表明，岩体强度与岩体中节理分布的分形维数密切相关，分形维数增大导致岩体强度非线性降低。     

霍克-布朗强度准则中m,s参数的断裂分析

针对含断续节理岩体强度存在明显各向异性的特点,运用断裂力学理论建立该类岩体霍克-布朗强度参数m,s的数学表达式,证明了m,s值不仅与节理产状有关,而且还是围压σ3的二次函数 。是了后给出了一个实际工程的典型算例。     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。     

Influence of degree of interlock on confined strength of jointed hard rock masses

The strength of jointed rock mass is strongly controlled by the degree of interlock between its constituent rock blocks. The degree of interlock constrains the kinematic freedom of individual rock blocks to rotate and slide along the block forming joints. The Hoek–Brown (HB) failure criterion and the geological strength index (GSI) were developed based on experiences from mine slopes and tunneling projects in moderately to poorly interlocked jointed rock masses. It has since then been demonstrated that the approach to estimate the HB strength parameters based on the GSI strength scaling equations (called the ‘GSI strength equations’) tends to underestimate the confined peak strength of highly interlocked jointed rock masses (i.e. GSI > 65), where the rock mass is often non-persistently jointed, and the intact rock blocks are strong and brittle. The estimation of the confined strength of such rock masses is relevant when designing mine pillars and abutments at great depths, where the confining pressure is high enough to prevent block rotation and free sliding on block boundaries. In this article, a grain-based distinct element modeling approach is used to simulate jointed rock masses of various degrees of interlock and to investigate the influences of block shape, joint persistence and joint surface condition on the confined peak strengths. The focus is on non-persistently jointed and blocky (persistently jointed) rock masses, consisting of hard and homogeneous rock blocks devoid of any strength degrading defects such as veins. The results from this investigation confirm that the GSI strength equations underestimate the confined strength of highly interlocked and non-persistently jointed rock masses. Moreover, the GSI strength equations are found to be valid to estimate the confined strength of persistently jointed rock masses with smooth and non-dilatant joint surfaces.     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

岩石边坡稳定性与支护的数值分析及综合比较

 断层或节理裂隙等不连续面的切割导致岩体具有二重性——连续性和不连续性。由于目前还没有一种能考虑岩体二重性的实用的分析方法,所以对岩石边坡进行稳定性研究时应采用多种方法进行综合比较。采用有限单元法(属于等效连续介质力学方法)和块体单元法(属于不连续介质力学方法),对瀑布沟加里俄呷料场高边坡进行稳定性分析及支护研究。根据2种方法计算结果的综合比较分析,得到对该边坡的稳定性和支护方案的认识。研究结果还表明：若节理连通率的影响仅用强度参数表达,而在计算网格中不予考虑,则有限单元法和块体单元法得到的结果规律一致,且量值相差不大;由于块体单元法完全通过节理体现岩体的变形,而有限单元法则可考虑岩块的变形,所以有限单元法得到的位移值、屈服区及锚杆应力比块体单元法稍大。     

岩体轴向抗压强度与变形尺度效应的节理分布影响

 采用相似模拟材料,用预置硫酸纸模拟试件节理,研究5种分形节理岩体的轴向抗压强度和变形的尺度效应,获得同一尺度下岩体强度和变形随节理分形维数变化的试验数据。在分析强度与变形受尺度和节理分布维数单因素影响规律的基础上,建立二维影响关系经验公式。试验结果表明,岩体强度和变形模量均随尺度和节理分形维数的增加而降低,泊松比则随尺度和分形维数增加而增加;试件破坏的总体规律是随尺度和节理分形维数增加,岩石的延性增加,但破坏过程与方式受节理分布的控制。     

应用蒙特卡洛法确定节理岩体的连通率和综合抗剪强度指标

本文提出了一种确定节理岩体连通率和岩体综合抗剪强度指标的新方法。该方法对传统的连通率的概念作了扩充,将连通率的确定归结为在岩体结构面网络图中寻找节理面和岩桥组合破坏路径的问题。在连通率的确定过程中,考虑了节理和岩桥的组合破坏机制。并应用动态规划原理,基本解决了岩体中存在多组节理面情况下的连通率确定问题,所得成果在漫湾电站左岸边坡稳定分析研究中获得了成功的应用。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

非连续变形分析(DDA)中断续节理扩展的模拟方法研究和试验验证

在非连续变形分析方法中,可用虚节理表示岩石破坏过程中潜在的破坏路径,因此断续节理中节理面开裂、扩展、贯通过程认为是虚节理(岩桥)向实节理转化的过程,这一过程伴随着虚节理(岩桥)力学性质参数的弱化,且弱化程度受到虚节理向实节理转化程度的影响。因此,利用表征虚节理向实节理转化程度的虚节理连通率对虚节理力学性质参数的弱化规律进行研究,得出力学性质参数弱化函数;在此基础上对Jennings强度准则和最大抗拉强度准则进行处理,提出应用于非连续变形分析计算的断续节理强度形式;最后,将虚节理力学性质参数弱化规律和处理后的断续节理强度表达式运用于非连续变形分析计算程序中,实现对断续节理扩展过程的模拟算法。并通过剪切试验计算结果与室内试验结果的比较,验证该算法的正确性。     

Determination of mechanical parameters for jointed rock masses

Combining with empirical method, laboratory test and numerical simulation, a comprehensive system was presented to determine the mechanical parameters of jointed rock masses. The system has the following four functions: (1) Based on the field investigation of joints, the system can consider rock mass structures, by using network simulation technology. (2) Rock samples are conducted by numerical simulation with the input engineering mechanical parameters of rocks and joints obtained from laboratory tests. (3) The whole stress-strain curve of jointed rock masses under certain normal stress can be plotted from numerical simulation, and then the shear strength parameters of jointed rock masses can be obtained from the whole stress-strain curves under different normal stresses. (4) The statistical values of mechanical parameters of jointed rock masses can be determined according to numerical simulation. Based on the statistical values, combining with engineering experiences and geological investigations, the comprehensive mechanical parameters of jointed rock masses can be achieved finally. Several cases are presented to prove the engineering feasibility and suitability of this system.     

Determination of mechanical parameters for jointed rock masses

Combining with empirical method, laboratory test and numerical simulation, a comprehensive system was presented to determine the mechanical parameters of jointed rock masses. The system has the following four functions: (1) Based on the field investigation of joints, the system can consider rock mass structures, by using network simulation technology. (2) Rock samples are conducted by numerical simulation with the input engineering mechanical parameters of rocks and joints obtained from laboratory tests. (3) The whole stress-strain curve of jointed rock masses under certain normal stress can be plotted from numerical simulation, and then the shear strength parameters of jointed rock masses can be obtained from the whole stress-strain curves under different normal stresses. (4) The statistical values of mechanical parameters of jointed rock masses can be determined according to numerical simulation. Based on the statistical values, combining with engineering experiences and geological investigations, the comprehensive mechanical parameters of jointed rock masses can be achieved finally. Several cases are presented to prove the engineering feasibility and suitability of this system.