基于PFC2D的断续岩桥直剪强度特征及能量演化机制研究

针对不同连接率断续节理岩体,基于ＰＦＣ２Ｄ颗粒流程序在不同法向应力下进行直剪试验,研究其剪切破坏过程及强度特性。数值模拟结果表明:断续岩桥的贯通破坏过程具有明显的阶段性,可根据剪切应力曲线以及微观裂纹扩展特征将其大体分为４个阶段;断续岩桥的初裂强度和剪切峰值强度与法向应力成正相关而与节理连通率成负相关,初裂强度百分比对法向应力变化不敏感而随着节理连通率的增加而增加;岩体内部能量的演化过程能较好的匹配断续岩桥的贯通破坏过程,可将应变能、耗散能的突变点作为断续岩桥贯通破坏的标志,耗散能对法向应力的变化较节理连通率更为敏感。     

共面断续岩桥直剪试验破坏过程研究

岩桥对岩质边坡稳定性起控制性作用,而非贯通性节理岩体是广泛存在于岩质边坡中的一种岩桥载体形式。研究共面断续岩桥连通率对岩石抗剪性能的影响,可为岩质高边坡稳定性评价提供理论依据。以直剪试验的形式,通过石英砂、水泥、石膏和水制备直剪试验试样, 并预留相同长度的3条共面断续节理,对共面断续岩桥进行剪切模拟,分析其破坏模式、破坏过程演化机制和力学参数。结果表明:直剪试样呈现张拉破坏、拉剪破坏和剪切破坏3种破坏模式,以剪切破坏为主,节理所在面为控制性结构面;试样破坏过程依次呈现为裂纹稳定、裂纹破坏和残余变形阶段;随连通率增大,抗剪强度降低,黏聚力减小,内摩擦角小幅变动;共面断续岩桥连通率越大,岩石抗剪性能越差,岩质边坡稳定性越低。     

典型结构面分布型式节理岩体室内直剪试验研究

针对节理岩体变形破坏及抗剪强度参数确定问题,开展了5种包含两条节理的典型节理分布型式的节理岩体试样的室内直剪试验研究.试验结果表明节理岩体的破坏主要表现为节理控制的节理与岩桥间渐进搭接破坏;对比分析了试验得到的25条应力应变全过程曲线,提出了应力应变曲线分类方法,包括滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型五种类型,...     

岩体体积节理数的修正研究

首先介绍了岩体体积节理数（JV）的定义,指出 JV 定义中采用节理间距或频率更为恰当。进而讨论了体积节理数计算公式的适用范围,研究表明：该公式仅适用于岩体内分布有不多于3组贯通性正交节理的情况,而一般情况下计算结果偏大。然后,通过体积、连通率修正,使(JV)可适用于贯通性节理岩体和断续节理岩体,客观准确地反映工程岩体完整程度。     

含交错节理岩石直剪试验颗粒流模拟

借助颗粒流程序(PFC)建立了模拟含有交错节理岩石试样破坏的几何模型,对试样宏观力学参数进行标定,在编制了伺服模块的基础上,模拟了试样在不同法向应力条件下的直剪强度变化。采用软件内置的fish语言编制了裂纹扩展过程监测模块,从细观角度描述了交错节理试样在直剪过程中的裂纹扩展规律和破坏模式,并通过追踪微裂纹的数量对试样破坏规律进行量化分析。结果表明,试样剪切应力-剪切位移曲线主要分为4个阶段,随着法向应力和剪裂角的增大,剪切强度线性增加。试样裂纹主要产生在节理处,表现为中间夹块和上下节理凸起破坏,剪裂角对试样破坏规模有重要影响。相比单节理试样,交错节理试样抗剪强度明显降低,破坏规律有所不同。同时进一步考虑了节理间摩擦性质差异的影响,分析发现试样节理间摩擦性越强,试样剪切强度和破坏规模越大。模拟试验结果可为复杂节理岩体力学性质的研究提供参考依据。     

考虑断续节理影响的溪洛渡拱坝模型破坏试验研究

金沙江溪洛渡工程大坝为混凝土拱坝,最大坝高278m,拱坝坝肩及坝基岩体内未见大的断层及软弱结构面,坝肩稳定性主要受分布于岩体内的层间和层内错动带以及节理裂隙的控制。本文用超载法对溪洛渡拱坝稳定安全系数相对较低的410m高程平面拱圈及其坝肩岩体进行模型破坏试验,主要研究超载条件下含断续节理岩体的破坏过程、破坏形态和破坏机理。试验表明:由于玄武岩的脆性特点,模型坝肩岩体呈脆性破坏,其破坏机理是裂隙端部的应力集中引起岩桥的断裂撕拉破坏,随着超载倍数的增加,裂缝开度增大,最后呈现阶梯状破坏形态。     

节理岩体脆性破坏过程的有限元模拟

讨论节理岩体的变形破坏概化模型,分析其三种破坏模式:岩块破坏而节理未破坏;节理破坏 而岩块未破坏;节理与岩块同时破坏。根据所提出的破坏模式,建立对应的节理岩体屈服破坏本构关 系;并在此基础上,基于ＡＢＡＱＵＳ二次开发平台编制计算子程序。将所建模型应用于青松电站引水隧洞 围岩的变形破坏分析,证明其可以运用于实际工程,能较好反映脆性节理岩体的变形破坏情况。计算结 果表明该模型可以准确反映围岩的变形量及应力分布,验证了节理面对节理岩体屈服破坏的影响。     

节理岩体的有限元模拟研究综述

本文综合阐述了对于节理岩体进行有限元模拟所用的两种方法,即采用特殊的节理单元或者运用等效模拟的方法。阐述了常用的节理单元的发展,并介绍了基于等效模拟思想的节理岩体复合本构模型,其中典型是均匀节理单元。最后指出,可以把研究重点放在均匀节理岩体的推广与应用上。     

填充节理直剪试验颗粒流模拟

针对天然节理岩体的安全问题,为了揭示填充物对节理剪切特性的影响规律,通过颗粒流程序(PFC)建立了填充节理试样,对岩石的宏观力学参数进行了标定,并编制了能够施加恒定法向压力的伺服模块和裂纹扩展监测模块。对比了填充节理与闭合节理的剪切特征差异,设置了8种不同填充度和4种不同法向应力方案。结果显示:因填充物在"岩石-填充物-岩石"接触效应中起到了缓冲作用,填充节理的剪切强度和破坏程度小于闭合节理。当填充度为0.25时,剪切应力峰值在5 MPa和14 MPa时为11.61 MPa和21.10 MPa,相比闭合节理分别降低36.86%和32.38%。这表明填充物对节理的剪切强度的影响不容忽视。随着节理填充度的增加,剪切强度非线性降低,并逐渐接近填充物自身的剪切强度;随着法向应力的增大,剪切强度线性增加。试样破坏图示和裂纹数量化结果表明,填充度的增加能够弱化试样的破坏而法向应力的增大能够加剧试样的破坏。进一步考虑了填充物摩擦性质的差异,发现其对试样的剪切强度和裂纹发育均有所影响。     

现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果,但主要集中于小尺寸（≤10 cm）的岩块,对较大尺度（≥50 cm）岩体破坏机理研究还较少。采用最新的SAMOS声发射系统,对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试。通过现场岩体直剪破坏过程中声发射特征参数与频谱特性研究,揭示了节理岩体破坏机制,深化了对岩体破坏机理的认识。测试结果表明节理岩体破坏过程中,声发射信号的主频范围为40～120 kHz,其直剪破坏过程可分为4个阶段：①弹性变形阶段,岩体内部没有声发射事件;②起裂阶段,声发射事件很少,岩体内部仅有少量的裂纹产生;③扩展阶段,声发射事件缓慢增加,岩体内部微裂纹不断扩展;④破坏阶段,声发射事件大量增加,微裂纹不断扩展贯通,岩体出现宏观破裂。根据研究结果可知：与传统的破裂从前端开始的观点不同,岩体试件中后端最先出现声发射定位事件,表明微破裂开始发生在岩体试件的中后端;随着剪应力的增加,声发射定位事件逐渐前移,当岩体进入破坏阶段后,微破裂集中于剪切面局部,岩体产生局部破裂化。     

直剪条件下不同宽度岩桥破坏特征试验研究

通过直剪条件下的力学模型试验, 结合对模型破坏过程中声发射特征参数的分析,揭示了岩体在不同宽度岩桥和法向应力条件下的破坏特征。结果表明随着岩桥宽度的增加,破坏面起伏度、粗糙度都相应增大;随着法向应力的增加,破坏面的起伏程度和粗糙度减小,峰值剪切应力不断增大;不同岩桥宽度和法向应力导致岩体产生不同方式的破坏,包括剪断破坏、拉剪复合破坏和剪切破坏;声发射阶段性特征与岩桥贯通破坏过程一致,声发射事件数峰值随岩桥宽度和法向应力的增大而增大,其峰值出现时间在剪切应力达到峰值之后。研究结果为判别不同宽度岩桥变形与破坏各个阶段提供依据。     

小浪底水库风雨沟西侧边坡岩体节理抗剪强度研究

根据简易纵剖面仪野外现场绘制的大量节理表面轮廓曲线的修正直边法测量结果,综合评价边坡岩体3个结构区12组节理沿走向方向和沿倾向方向的粗糙度系数,并在此基础上,运用JRC—JCS模型估算了各组节理沿走向和倾向的抗剪强度参数。通过对比统计估算和试验结果,确定节理抗剪强度取值标准,作为边坡岩体稳定性研究的计算力学参数。     

浅谈牛路水库坝基岩体抗剪强度试验及参数选取

基于从化牛路水库坝基岩体工程地质类别,在平硐内同一地质单元中选取合适的试验点进行现场岩体直剪试验,按库伦表达式绘制各试验点剪切应力与法向应力关系曲线,确定相应的抗剪强度参数。分析现场试验值与规范经验值的差别,选择合适的抗剪强度参数作为设计计算值,从而能避免安全隐患和节约工程成本,为类似的工程提供一定的参考。     

围压对岩石裂纹扩展影响的颗粒流模拟研究

采用颗粒流数值软件PFC模拟预设单裂隙岩石在双向压缩状态下裂纹的扩展过程和特征。首先利用黏聚颗粒模型建立岩石试样,并在岩石试样中预置非贯通单裂隙;为研究围压对岩石裂纹扩展的影响,分别在5种围压作用下对预设裂隙岩石进行双轴压缩试验。结果表明在围压为0(单轴压缩)时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙基本垂直,随着加载进行沿着主压力方向扩展,而当围压增加时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙的交角增大,且长度变短直至围压到达一定值后不再发育;次生裂纹的扩展方向不仅与材料的性质有关,同时受到围压值的影响;围压增大对张性裂纹扩展产生限制,并促进剪性裂纹的扩展和合并,且最终剪切破坏面的宽度随着围压的增大而增大;次生裂纹可以由拉应力产生,但其进一步发育和扩展受到剪应力的控制。     

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。     

基于颗粒流异性层面剪切特性及演化机理研究

为研究巴东组异性层面剪切特性的影响因素及其作用规律,并探讨其剪切破坏的细观演化机理,以巴东组典型粉砂质泥岩和泥灰岩间异性层面为研究对象,在室内试验成果的基础上确定壁岩细观参数,基于颗粒流软件开展直接剪切数值试验,结果表明:巴东组典型异性层面剪切曲线介于粉砂质泥岩和泥灰岩同性层面;异性层面剪切力学特性受到表面形态、法向应力和壁岩组合的影响;此外,异性层面的剪切破坏演化过程受表面形态影响,锯齿状异性层面的剪切破坏主要沿软弱壁岩从两侧向中部逐渐演化,平直状异性层面的剪切破坏主要沿接触面软弱壁岩一侧均匀同步演化。提出了异性层面与软岩同性层面抗剪强度之比与壁岩组合系数及法向应力之间的关系表达式,认为巴东组异性层面层间滑动是导致该组易滑地层岩体失稳破坏的重要原因。     

层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。     

隧道式锚碇在碎裂岩体中成洞及承载特性数值模拟

与重力式锚碇相比,隧道式锚碇更为经济、环保,在峡谷地区悬索桥建设中具有广阔的应用前景。我国西南地区某在建铁路大跨度悬索桥隧道式锚碇在IV—V级工程岩体中承担4.3×10⁵ kN的超大主缆荷载,通过三维数值模拟方法对该隧道式锚碇的成洞特性、主缆荷载及超载作用下的围岩响应特征进行研究。结果表明:按设计支护措施,碎裂岩体在锚洞开挖后处于轻微挤压变形状态。主缆荷载作用下,锚碇周边围岩主要表现为弹性变形,锚塞体的位移增量属毫米级,围岩变形受地层岩性影响显著,锚塞体周边围岩位移梯度较大,主缆荷载的扩散范围有限;超载作用下,锚塞体围岩塑性区由后锚面逐步沿着锚塞体周边围岩向中前部发展,其最终破坏模式为锚岩接触周边围岩的剪切破坏。隧道式锚碇在围级基本质量较差的碎裂岩体中同样具有很强的适应性。