基于工程体-地质体相互作用的接触面变形破坏研究

针对工程体与地质体的相互作用机制,研究工程体和地质体之间不规则接触面的性质和表征方法;提出立方体覆盖的新方法来直接测量表面分维,提高了测量精度.利用光贴片试验研究不同接触形态地质体与工程体共同作用的界面效应(界面的变形、破坏和滑移规律).开发了具有非均匀性和分形特性的接触面单元,建立了具有接触面特性的两体(工程体与地质体)力学模型.研究碾压混凝土坝和岩基两体相互作用的破坏模式和影响因素,以客观评价大坝整体的稳定性问题.应用断裂力学研究碾压混凝土坝和坝基两体相互作用时不规则坝踵裂缝扩展的稳定性,获得了裂缝扩展的临界长度和荷载,研究结果表明:两体接触面的粗糙性阻碍了裂缝的扩展.     

基于工程体与地质体相互作用的两体力学模型初探

针对大坝和坝基、坝肩和库岸相互作用传统的一体两介质模型,提出了两体力学模型的基本概念、研究思路以及应用范围;阐述了一体两介质力学模型与两体力学模型之间的差异,并用单轴压缩实验进行了验证;建立了重力坝和坝基相互作用的两体力学模型,为大坝与坝基的整体稳定性研究与评判提供了一条新的途径。     

地质缺陷体变形综合模量时变模型研究

地质体中常存在地质缺陷体,对工程的安全构成威胁;同时大规模的工程建设又会改变自然地质环境,可能引起一些地质缺陷体的恶化,对工程的长期健康运行带来较大的影响。地质缺陷体的变形综合模量是反映缺陷体变形、强度等力学性质的主要参数,因此,以地质缺陷体的变形综合模量为例,研究了其演变的规律;同时探讨了利用工程变形的实测资料建立地质缺陷体变形综合模量时变模型的原理,基于Elman回归神经网络,提出了建立地质缺陷体变形综合模量时变模型的具体实现方法;借助于工程实例分析,验证了所提出的建模方法的有效性。     

岩石–混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理,在总结了几种典型接触单元基础上,根据谢和平提出的两体力学模型,采用有限差分程序FLAC,对岩石–混凝土接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟,研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明,两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段,节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

考虑微凸体变形相互作用的节理闭合变形模型

法向应力作用下节理的闭合变形是工程实践中常见但又未被很好解决的节理力学性质之一。依据弹性接触理论,提出考虑微凸体变形相互作用影响的闭合变形理论模型,该相互作用由一个均布荷载体现。模型采用不同接触下节理的组合形貌参数,适用于含起伏度分量的节理的闭合变形问题。较之于不考虑微凸体变形相互作用影响的Xia模型,新模型的计算值更为接近试验值。     

考虑基体变形和微凸体变形相互作用的岩石节理闭合变形理论模型

地下岩体工程建设和运营过程中,需要考虑节理岩体的水力学性质,这与节理的闭合变形密切相关。对法向应力作用下节理微凸体的变形特征进行详细分析,逐个计算接触微凸体的法向变形和接触应力;采用接触理论计算微凸体基圆半径之外的基体变形,并以此调整微凸体的法向位置,进而提出新的闭合变形理论模型。新模型可反映节理的基体变形和微凸体变形相互作用的影响,也能体现形貌分量和接触类型对闭合变形的影响。与已有的理论模型比较,新模型的计算值更为接近试验值。采用叠加原理,新模型计算得到的初始法向刚度最小;但随法向应力的增加,法向刚度增加速率逐步加快。     

围岩-衬砌接触面剪切力学性质及破坏机制的试验研究

基于巴西劈裂试验和三维扫描、3D打印技术,制作了围岩–衬砌接触面模型,结合围岩、衬砌的混凝土模拟材料,制备围岩–衬砌接触试样,通过模拟围岩–衬砌接触试样的剪切试验,研究围岩–衬砌接触面的剪切力学性质和破坏机制,分析影响其力学性质的主要因素,探究了围岩–衬砌接触面的抗剪强度公式,研究结果表明:围岩–衬砌接触试样的剪切曲线呈现出延性和脆性2种破坏类型;法向应力、接触面粗糙度和两侧材料力学性质对围岩–衬砌接触面的剪切变形、强度和破坏形态均有影响,对比发现接触面两侧材料属性的影响大于接触面粗糙度;接触面的剪切力学性质和破坏形态不仅取决于各因素的大小,还取决于其组合作用;依据接触面的破坏特征,将黏着摩擦理论引入Barton经验公式,提出适用于围岩–衬砌接触试样的剪切强度公式,实现了强度特征与影响因素的结合,为地震作用下的围岩–衬砌相互作用研究提供了试验参考。     

考虑接触面厚度的桩土相互作用研究

土与支护结构相互作用的问题已引起学者的高度关注,对该领域的研究也有了新的突破。但考虑接触面厚度的桩土相互作用,无论是在计算模型的建立上还是在计算方法的选取上,都有待商榷。在考虑接触面厚度后,用刚–塑性理论模拟桩后土体,把塑性区域内的土体用串联的弹簧单元来模拟;在此基础上推导预应力锚杆支护桩的挠曲线微分方程,并用有限差分法计算桩身内力。结合工程实例,用PLAXIS软件进行数值验证,与用上述方法算得的桩身弯矩进行对比,发现计算结果略大于模拟结果,原因可能是串联弹簧个数不够导致的,说明弹簧个数必有一个最优值。通过分析对比,进一步说明该计算模型的可行性。     

试析地质工程复杂地质体三维建模与可视化研究

地质工程复杂地质体的可视化主要就是在地质勘查工作中,由于测得的数据量比较大,信息复杂和混乱,使得地质人员很难直接掌握勘查对象的地质整体情况。采集相关资料,建立相应的曲面拟合函数,构建三维模型。从模型中,工作人员可以直接掌握和了解工程岩土体的分布规律,提升地质规律的认知水平。本文主要分析三维建模与可视化研究的现状,阐述了可视化关键技术,并初步应用在安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院对九华山名景地灾防治的工程上。     

岩石-混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理，在总结了几种典型接触单元基础上，根据谢和平提出的两体力学模型，采用有限差分程序FLAC，对岩石一混凝士接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟，研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明，两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段，节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。     

基于开挖面空间效应的围岩–支护相互作用机制

 根据开挖卸荷的概念和开挖面空间效应原理,提出围岩弹塑性变形二次释放的概念,建立基于开挖面空间效应和围岩弹塑性变形二次释放的力学模型,研究围岩–支护之间的相互作用。通过引入围岩与支护在其作用面(接触面)上必须满足的2个协调条件即应力协调和位移协调,实现对围岩–支护相互作用达平衡状态时的求解。建立基于开挖面空间效应及围岩–支护相互协调作用的支护结构设计方法。     

岩锚界面及其端部附近应力场奇异行为的弹性力学分析

预应力锚索的使用效果很大程度取决于锚杆和岩体的结合程度，而锚杆和岩体的结合界面不可避免地要受界面缺陷的影响。在锚索的设计和计算过程中，现有文献对岩锚界面的应力分布的描述有一定的误差。以锚索拔出为对象建立理论分析模型，对岩锚界面端部的断裂力学行为进行了研究。结果表明，剪应力和径向应力在界面的两个端部(内端部和外端部)都有较强的应力集中现象，应力集中可能直接引起端部的破坏，而平均应力法则忽略了这一现象。所得研究结果可以直接应用于工程施工和监测中，同时，对边坡预应力锚固设计也具有实际指导意义。     

围岩–支护作用机制评述及其流变变形机制 概念模型的建立与分析

 岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩–支护相互作用机制。首先,分析卡斯特纳方程和围岩–支护作用机制存在的缺陷和错误,包括：(1) 模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义。(2) 由卡氏方程和弹塑性公式推导的围岩特性曲线在工程实际中不存在,因此也不存在与支护结构的支护特性曲线相交的可能性。(3) 将围岩特性曲线和支护特性曲线相交求解围岩–支护相互作用的平衡点存在概念及逻辑上的错误。然后,建立基于流变变形的围岩–支护相互作用机制的概念模型。最后,应用流变机制概念模型对工程实例进行计算,推演围岩与支护的相互作用过程,从理论上证实混凝土结构在一定条件下支护软岩巷道是可以的。提出的流变机制概念模型,既可以对围岩–支护相互作用给出定性解释,也可以应用于岩石地下工程的设计,理论基础可靠,能够应用于工程实践。     

基于变形条件的黄土结构性试验研究

黄土的结构性由黄土颗粒之间的联结结构强度和摩擦结构强度所决定,要定量描述黄土的结构性,就要定量研究黄土联结结构强度和摩擦结构强度的变化规律。为此,提出基于变形条件的黄土结构性参数即联结结构变形势参数mp1、摩擦结构变形势参数mp2及结构变形势参数mp,并通过黄土的侧限压缩试验研究原状黄土和人工水泥结构性黄土的结构性及其结构性参数的变化规律,揭示含水率、压力、密度、水泥含量等对黄土结构性的影响,并对所提出的基于变形条件的黄土结构性参数的合理性进行讨论。     

有关上部结构-桩-土相互作用研究问题探讨

对桩-土相互作用研究成果进行了综述,重点讨论了桩-土相互作用研究进展、承载力以及沉降计算等方面的内容,并提出了今后研究的一些发展方向。     

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

 采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生II类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生II类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部：单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。     

应力历史对黏土–混凝土界面剪切特性的影响研究

 采用大型直剪仪,系统研究法向应力历史对黏土–混凝土界面剪切特性的影响。根据制定的加卸荷方案,对3个粗糙度等级(锯齿高为0,1,2 cm)的黏土–混凝土接触界面先加荷至初始法向应力,再卸荷至剪切法向应力进行剪切。从剪应力–剪切位移曲线、界面最大剪应力、剪胀性3个角度对试验结果进行对比分析。分析结果表明：黏土–混凝土界面剪应力–剪切位移曲线仍大体呈双曲线形式,并未出现应变软化现象。初始法向应力越大,相同剪切位移对应剪应力越大;初始法向应力越大对应的界面最大剪应力越大,根据Mohr-Coulomb准则通过线性拟合得出界面强度参数,并引入界面摩擦有效系数和黏聚有效系数。通过数据对比发现,界面黏聚有效系数随着初始法向应力的增大而增大,而摩擦有效系数则随初始法向应力的增大而减小。剪切过程中3个粗糙度等级的黏土–混凝土界面均发生不同程度的剪胀,界面越粗糙,剪胀量越大。同时,应力历史对界面剪胀性规律有明显的影响,未经历法向卸荷的界面剪切过程开始先剪缩然后再剪胀,而经历法向卸荷的界面剪切一开始便呈现剪胀,且初始法向应力越大,剪胀越明显。