基于有限元方法的裂隙岩体等效强度参数研究

 利用等效连续介质力学方法分析裂隙岩体中工程稳定性时,选择合理的裂隙岩体等效强度参数是取得可靠分析结论的前提。依据建立的裂隙岩体网格,结合岩石统计损伤模型和结构面损伤模型,通过有限元数值方法研究裂隙岩体加载中的渐进破坏过程,以及裂隙岩体等效抗压强度的尺寸效应和各向异性。分析结果表明,从岩块到岩体,岩体等效抗压强度很快降低至稳定幅度,岩体抗压强度的各向异性也不显著。最后,对10 m尺寸的岩体进行不同围压下抗压强度的数值分析,得到裂隙岩体的强度参数,并和Hoek-Brown经验准则进行对比。文中的分析方法对于工程裂隙岩体的宏观参数取值具有参考价值。     

节理岩体正交各向异性等效变形参数研究

将节理岩体变形视为线弹性的岩块变形和非线性弹性的结构面变形之和,在分析已有结构面变形特点的基础上,提出了一种新的结构面法向变形计算公式,该公式可以考虑岩体初始应力状态对变形的影响。然后,利用岩体裂隙网络和等效连续应变理论,研究节理岩体等效应变的计算方法,并根据正交各向异性的弹性本构模型,将岩体作为正交各向异性连续材料计算其等效变形参数。最后,编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果的合理性。     

多组贯穿节理岩体正交各向异性变形参数研究

目前对于节理岩体各向异性变形参数的解析方法研究不多。假设岩块为各向同性线弹性体,结构面的应力与位移之间满足线性刚度关系,建立多组贯穿节理岩体的正交各向异性变形参数计算模型,相关计算公式简单实用。进一步的研究结果表明：对于贯穿节理岩体,其体积变形具有正交各向异性变形特性,而剪切变形并不具有明显的正交各向异性。最后通过3DEC数值验证与辅助研究,相关数值成果与理论计算相差较小,说明该理论模型对于岩体各向异性变形与稳定性评价有一定的参考价值。     

岩体力学参数对隧洞围岩稳定影响分析

从影响隧洞围岩稳定因素出发应用数值计算方法探讨岩体力学参数弹性模量和泊松比变化对围岩稳定的影响程度及规律为工程支护设计、围岩稳定分析提供参考。研究结果表明:弹性模量变化对围岩变形有较大影响对围岩应力几乎没有影响而泊松比变化对围岩应力和变形均有较大影响。应谨慎地选取岩体力学参数。     

节理岩体正交各向异性等效强度参数研究

将节理裂隙视为岩体的损伤,利用岩体裂隙网络模拟技术、损伤力学和节理张量理论对等效抗剪强度参数(即黏聚力和摩擦系数)进行了研究。在岩体损伤力学研究成果的基础上,研究了包含多组节理裂隙的岩体在空间任意截面上损伤变量的近似计算方法;以损伤变量作为加权系数,将岩块和结构面抗剪强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数;根据岩体在各空间截面上的等效抗剪强度参数计算成果,将岩体抗剪强度参数等效为正交各向异性变化的抗剪强度参数;编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果和计算程序的正确性。     

岩体离散裂隙网络稳定性计算的节理有限元法

通过对广乐高速公路坪石至樟市段大量裂隙岩体边坡的稳定性研究认为：客观的地质模型、恰当的本构关系、正确的计算参数、有效的计算方法是裂隙岩体模拟计算的4个关键问题,抓住并解决好这4个方面的问题,是裂隙岩体数值分析取得可靠成果的关键。提出裂隙岩体稳定性模拟计算的节理有限元法(JFEM),视裂隙岩体为由岩块和离散裂隙网络组成的二元结构,同时考虑岩块和离散裂隙的属性,充分体现岩块和岩块接触作用的非线性关系。首先,基于Jaeger单结构面理论,应用JFEM计算裂隙岩体的抗压强度,以验证JFEM的可靠性;其次,引入离散裂隙网络模型(DFN),重点探讨基于Voronoi模型、Baecher模型和Veneziano模型的裂隙岩体稳定性计算问题,岩块和节理的本构关系分别采用广义的Hoek-Brown准则和Barton-Bandis剪切强度准则,应用强度折减法计算裂隙岩体的稳定系数,并对裂隙岩体网络模型中关键参数取值对岩体的稳定性影响进行探讨。研究结果可为裂隙岩体的稳定性评价提供一个新的思路,为工程决策提供理论依据。     

等效岩体技术在岩体工程中的应用

 以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明：(1) 等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2) 随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3) 等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4) 等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。     

贯穿节理岩体变形等效本构及各向异性研究

在各向异性材料的弹性本构的基础上,基于应变迭加原理推导了贯穿节理岩体变形的等效弹性本构模型。应用该等效本构模型,分析了含有一组节理、两组节理和三组节理正交的空间各向异性。结果表明,层状节理岩体变形特性在空间上关于节理法线方向轴对称,柱状节理岩体变形特性在空间上关于平面对称,含三组正交节理的岩体特性在空间上关于平面对称。该等效本构模型未能考虑节理与节理之间、节理与岩块之间相互交错的影响,因而对于复杂节理岩体变形特性的研究有一定的欠缺。模型工程概念明确,获得的柔度张量可以表征岩体变形的各向异性,可以直接作为ANSYS软件的输入参数进行结构分析,为节理岩体变形各向异性引起的结构效应初步分析提供了一种较便捷的方法和手段。     

裂隙岩体宏观力学参数研究

 裂隙岩体的变形模量及强度特性是工程界关注的焦点,其关键是岩体变形模量及强度的尺寸效应和表征单元尺寸(REV)。根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面力学特性试验成果,确定岩块和结构面的本构模型,建立考虑无厚度裂隙面力学响应的分析模型。研究不同尺寸、不同统计窗裂隙岩体的力学响应特征,并重点研究裂隙岩体变形模量和单轴抗压强度的尺寸效应、REV特征以及各向异性特征。该研究方法为裂隙岩体的宏观力学参数取值提供参考,研究成果也为锦屏二级水电站工程岩体参数取值提供了依据。     

岩体等效强度参数确定的理论和方法

 从能量等效的角度研究岩体的等效强度参数,采用变形加固理论中的塑性余能为等效指标确定复合介质的强度参数,详细推导用于等效复合介质强度参数的等效计算表达式。该表达式表明了复合介质变形和强度参数之间的相关性,通过数值算例研究材料变形参数对强度参数的影响程度以及材料不同配比下复合介质强度参数的变化规律,表明塑性余能等效方法在确定岩体强度参数上的可行性。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

裂隙随机分布时岩体力学性质对应力状态的依附性

在不考虑裂隙相互作用和裂隙断裂扩展并假设裂隙随机分布的情况下，运用线弹性断裂力学理论和闭合裂隙模型探讨了在三轴压缩、单轴压缩以及单轴拉伸3种情况下裂隙岩体变形模量的变化规律。对裂隙岩体变形而言，裂隙密度参数和裂隙面摩擦系数是最重要的2个影响因素。随着裂隙密度参数的增加，变形模量有减小的趋势；随着裂隙摩擦系数的增加，变形模量有逐渐增加的趋势。通过计算分析可以看出，三轴压缩时的变形模量最大，单轴压缩时的次之，单轴拉伸时的最小。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力-应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同，研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力-应变关系，包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现，岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小，且卸荷破坏时的变形比连续加载时大，其主要原因是卸荷时存在裂纹张开，裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少，岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性，该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用

岩体是一种含有大量缺陷的天然材料,其中的断层、裂缝和裂隙称为高层次缺陷,微裂隙、孔隙等称为低层次缺陷.首先分析包含宏观和微观裂隙的岩石裂隙数量与尺度之间的分形关系,并按照裂隙尺度进行分级.然后采用数值试验方法,通过逐级增加裂隙,研究岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用.研究结果表明,当裂缝、裂隙、微裂隙、孔隙等不同尺度、不同层次缺陷并存时,高层次缺陷对岩体的变形、稳定、破坏起着主导控制作用.     

节理岩体变形模量的结构效应研究

 根据变形等效原则,推导1组结构面单独切割岩体及多组结构面组合切割岩体时,岩体变形模量的理论计算公式。通过引入一种圆形的全空间展示图,结合等值线云图的形式,对节理岩体变形模量进行三维空间全方位展示,为便捷地预测岩体变形模量及其结构效应提供理论依据。在此研究基础上,研究单组结构面单独切割及2,3组结构面任意组合切割岩体时,岩体变形模量的空间分布特征,在全空间展示图上表现为：单组结构面切割时,结构面平行方向变形模量取最大值、表现为一条极值线,结构面垂直方向变形模量取最小值、表现为一极值点;2组结构面切割时,最大值为单独切割时极值线的交点,最小值位于单独切割时极值点的连线上;3组结构面切割时,最大值位于切割时极值线围成的最小三角形内,最小值位于单独切割极值点围成的三角形内。研究还表明,结构面切割组数越多,岩体变形模量的弱化程度越明显。该方法可为三维全空间评价岩体变形模量提供有益的参考。     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

初始节理对岩体内部沉陷范围的影响研究与实验验证

采动覆岩断裂直接影响在表沉陷规律,岩体中初始节理的存在使采动覆岩断裂更加复杂,从而导致岩体内部沉陷范围更难确定,首次对岩体中初始节理以采动覆岩断裂扩散规律,采动覆岩断裂范围,采动覆岩断裂分布、岩体内部沉隆范围的影响进行系统研究,提出初始节理对采动覆岩断裂的影响作用,建立了初始节理端部附近的最大切向应力计算表达式和初始节理开裂的力学条件,为岩体内部沉陷范围的确定提供了理论依据,构造了4台含有不同分布初始节理的相似材料模型,进行开挖实验,验证结果与实际吻合。     

岩层裂缝分形分布相关规律研究

详细介绍了三个地质钻孔共计1000余米岩芯的裂缝分布分形统计研究结果，揭示出了同一地质体中，不同岩层裂隙分布的分形维数与岩层岩样强度模量积呈幂函数的相关规律，并从构造应力场作用使岩石变形破裂 的角度给出了明确的物理解释。