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。     

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。     

模拟岩石材料破坏的有限元方法

介绍一种能够模拟岩石材料破坏过程的有限元方法,该方法引入单元分裂和界面分离技术描述破坏引起的材料几何拓扑结构变化,采用接触单元表征破坏界面,借助动态松弛方法完成求解。该有限元方法主要针对岩石材料的张拉和剪切两种破坏形式,通过计算实例验证该方法的适用性。     

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。     

岩体闭合节理摩擦滑动模拟与力学行为研究

基于边界单元法的不连续位移法,引进摩擦节理单元来模拟岩体节理,认为节理摩擦过程中其上下表面间作用的应力满足摩尔-库伦准则。在此基础上,研究了节理不同闭合和滑动状态对应力和位移的影响。研究发现,当节理张开时,节理的存在导致节理两端产生非常强烈的应力奇异性;当节理闭合且有切向滑动时,节理两端的应力奇异性明显降低。     

基于数值分析参数选取的岩石力学试验

工程岩体力学参数的合理确定是岩石力学界存在的一大难题。针对山区修筑公路常遇开挖自然斜坡坡脚而诱发边坡失稳的情况,对某边坡的岩石进行常规及三轴试验,结合野外工程岩体结构特点及相关经验性资料,以获得边坡稳定分析的岩石力学参数。用这些参数对开挖边坡作非线性有限元分析,所确定的岩石力学参数提高了数值建模的合理性和分析的准确性。     

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...     

基于数值分析的岩石块体稳定性评价一般性方法

 为解决岩石块体在各种复杂条件下的稳定性评价问题,在已有的岩石块体识别的单元重构–聚合方法基础上,进一步提出基于数值分析的块体稳定性评价一般性方法。该方法以含有块体信息的网格模型为出发点,首先引入界面单元,实现块体–围岩结构面滑移和脱开的模拟。其次,提出可动块体的定义和基于数值分析的块体运动形式判别方法。然后,基于结构面强度折减思路,提出块体安全系数定义和加固分析方法,从而实现基于数值分析的块体稳定性评价。该方法相比于刚体极限平衡法,能够考虑初始地应力、围岩变形和非滑面抗剪性能对块体稳定性影响,且在一定条件下,分析结果可与刚体极限平衡法结果基本等同。最后,通过算例验证了该方法的可靠性、有效性,并论证了其与刚体极限平衡法分析结果的关系。算例结果同时表明：该方法可综合考虑块体几何形态、块体埋深和块体出露高度对其稳定性的影响,能够适应复杂条件下工程岩体开挖过程的块体稳定性评价。该方法与已提出的块体识别方法,构成一套有关岩石块体的“识别–可动性判别–运动形式确定–稳定性评价–加固分析”的完整方法体系,总体平行于当前块体力学分析的常用方法(如块体理论),为研究块体在各种复杂条件下的稳定性演化提供了新的实现思路。     

节理岩石的应力波动与能量耗散

应用SHPB试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。研究结果表明：节理面不规则结构明显地影响应力波的传播性质。在相同入射波条件下，粗糙节理岩样的应力波衰减程度大于平直光滑节理岩样的衰减程度，粗糙节理的实际变形大于平直节理的变形。节理岩石的能量耗散比WJ/WI随节理面分维值D增大而增加，两者呈非线性关系；但当分维值小于临界值时，粗糙节理岩样的能量耗散比WJ/W与平直节理面的能量耗散比基本相同，并给出节理岩石能量耗散随节理面分维值D变化的表达式。     

新的岩石节理粗糙度指标研究

首先,基于节理轮廓线提出一个剪切粗糙度指标(SRI),新指标由3个粗糙度参数构成,描述节理平均起伏度、起伏的方向性、起伏分布特点以及粗糙的分形特性,并建立新指标与JRC之间的拟合关系。其次,基于三角形面积单元离散的三维节理面,将剪切粗糙度指标推广到三维形式,从而使得新指标能够描述节理的三维形貌特征。最后,以张拉型花岗岩节理作为算例,计算结果表明新指标能较好地反映节理的各向异性粗糙特性。新指标物理意义明确,计算方便,能够表征节理的主要粗糙特性,为进一步研究岩石节理的剪切力学特性奠定基础,具有重要的理论意义。     

岩石与混凝土界面断裂韧度的分布特性研究

在已有断裂准则和试验数据的基础上，运用概率断裂力学与数理统计的基本理论和方法，对岩石与混凝土界面断裂韧度Kk的分布特性进行了研究，并提供了确定Kk试验最少件数的途径。由于威布尔分布或对数正态分布常用来分析寿命分布问题，故优先考虑这两种模型。通过分析和计算得出：岩石与混凝土界面Kk服从对数正态分布，在置信度为0．9，相对偏差不超过5％的条件下，对应的Kk最少试件数估计在13件左右。通过Kk分布特性的研究，将为岩石与混凝土界面概率断裂分析与施工质量控制提供参考依据。     

岩石与水相互作用的正交各向异性损伤数值模拟

提出一种正交损伤模型,该模型能分别描述岩石材料的弹性变形、损伤变形和其他不可逆变形能。在该模型中,以二阶损伤张量来描述损伤的发展,损伤演化相关于裂纹扩展标准。以Gibbs自由能获取损伤材料的有效刚度矩阵。以能量原理合理地推导损伤参数的限制范围,提出借助于三轴试验决定模型参数的方法。对不同加载路径的饱和砂岩试验结果进行模拟,该模型的数值结果和试验结果吻合较好。随后,推广该模型到不同加载路径下得到岩石与水相互作用的力学特性,数值结果也显示：推广的模型是可以描述岩石与水相互作用的主要水力学特性的。     

岩石声发射规律数值模拟初探

提出了岩石声发射规律数值模拟的基本设想和框架，并以有限单元法为例就具体实施的几个关键问题作了简述，包括单元的划分、单元参数的赋值、声发射率的计算。本文给出了一个计算实例，所得结果包括岩石声发射的时间序列和空间序列分布。     

分形介质饱和渗流应力耦合数值模拟研究

基于介质骨架、固体颗粒以及水是可压缩的这一假设,推导出饱和的渗流应力耦合控制方程组。采用加权残值法对耦合方程组进行有限元离散,并推导相应的弹塑性矩阵。对耦合计算中的渗透系数分形模型展开讨论,综述采用分形维描述多孔介质和裂隙介质渗透系数方面研究的进展。最后,在给出的固结算例中采用一个较为实用的分形渗透系数模型,该模型可模拟渗透系数随介质变形而变化。数值计算的结果显示出良好的规律性,可以提高对耦合试验观测现象的理解。     

应力波在一维节理岩体中传播规律的 试验研究与数值模拟

 在测定撞击载荷形式的基础上,通过试验研究应力波在一维节理岩体中的传播规律。分析完整岩体中各质点的振动形式以及不同形式的撞击载荷下对质点振动的影响,在完整岩体中质点的振动形式很有规律,其振动频率单一,且与一维岩柱的长度有关;分析结构面附近质点的振动特征,试验结果表明结构面附近质点振动有增强现象;还分析结构面组数对应力波传播衰减规律的影响,随着结构面组数的增加,质点振动衰减便快,应力波随距离的衰减也很明显。在块体离散元的基础上,研究多尺度离散元模型,并用它来模拟应力波在节理岩体中的传播规律,取得较好的效果,说明块体离散元适合模拟岩体中应力波的传播衰减规律。     

爆破地震波在结构面的传播特性与结构面倾角判断

地震波斜入射结构面时,会产生2种不同类型的透射波,引起波场极性变化。采用弹簧模型描述非充填型结构面,运用弹簧模型讨论爆破地震波在结构面的传播特性。研究结果表明,爆破地震波在结构面处的波形转换系数以及P,SV波峰值比和偏振角的变化规律均能有效反映结构面刚度和入射角变化。结合现场试验方案,提出计算P,SV波峰值比和偏振角的方法,建立偏振角与入射角和结构面透射系数的关系;由现场试验数据得到空间各测点的P,SV波峰值比和偏振角的变化规律,进而确定结构面倾角。现场试验结果表明,根据各测点的P,SV波峰值比和偏振角变化规律可以准确确定结构面倾角。     

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。     

粗糙节理剪切性质的颗粒流数值模拟

 在二维颗粒流程序PFC2D中生成粗糙节理剖面并模拟其剪切性质。通过数值直剪试验,从细观角度观察节理的宏观破坏过程。作为模型试验的一种补充,可以观测到粗糙表面微凸体的剪切破坏及微裂隙发育的情况。宏观剪切区域的产生主要是由细观剪裂纹的累积形成的,剪切破坏区域集中在爬坡效应显著的位置,即剪切应力集中的区域,剪切过程中形成的剪裂纹的数量在出现剪切峰值应力后显著增加,此时粗糙节理面的破坏最为显著。颗粒流数值试验能较好地再现模型试验的结果,采用PFC2D数值试验能部分替代真实岩石试样的模型试验,将其作为一种预测真实岩石节理抗剪强度的手段,从而解决天然粗糙节理形貌难以重复的问题。