软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。     

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

 针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明：(1) 软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2) 软硬互层盐岩的破坏模式：层面倾角θ＜30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°＜θ＜75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°＜θ＜90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3) 沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。     

一种模拟岩石破裂的细观数值计算模型

建立随机均布Voronoi图的生成算法,以这种网格划分方式作为刚块弹簧元法(RBSM)的基本计算网格。同时,将刚体弹簧方法的界面中点接触模型改为整个界面的均布接触模型,结合界面抗拉强度和莫尔-库仑准则,给出一个能同时考虑模式I和II的断裂破坏的界面破坏模型。大量数值试验表明,以随机Voronoi图为基本计算网格,块体平均尺寸和排列方式对宏、细观弹性参数之间的关系影响很小,从而克服了颗粒离散元法的网格依赖性和宏、细观参数繁琐的标定程序。将该数值模型计算结果与Vienne岩石试验结果对比,数值模拟结果与试验结果在变形和强度都吻合较好,且随着围压的增大,应力-应变曲线的峰后下降趋势逐渐放缓,在围压为40 MPa时接近水平,表现出明显的由脆性向延性过渡的趋势。     

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明：(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_j/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°～60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。     

基于细观层次的软硬互层状复合岩体力学特性研究

以锦屏一级水利工程地下厂房区软硬互层状复合岩体为研究对象,引入基于区域生长算法的图像分割技术,获取材料内部细观非均匀性信息,建立能体现岩体真实细观结构的计算网格。采用三维有限差分软件FLAC,以弹–脆–塑性本构为基础,考虑不同层面倾角的影响,对单轴压缩应力状态下岩样破裂过程进行了细观层次的数值模拟。结果表明:随着层面倾角的改变,应力分布规律与岩体中岩质材料的细观分布密切相关;岩样的渐进破坏过程均是以拉应力破坏为起点,并终止于主剪切带的形成。此外,主软弱层面出现了沿层面"长轴向"及"短轴向"的2种贯通性破坏形式,并与岩样室内试验结果有相似的破裂现象。     

软硬互层产状频变地层隧道的开挖支护技术

通过工程实践，详细介绍了在围岩软硬互层、岩层产状交替变化地层中，不同产状围岩隧道的稳定性和乌鞘岭隧道6号斜井的开挖与支护方法，提出了一定环境条件下“岩变我不变”隧道施工原则的适用性。     

岩石破裂过程分析系统中的应力并行求解

岩石破裂过程分析和一些相关的岩石工程计算问题迫切需要高效、准确、强大的计算能力的支持，用来解决普通微机已经无法满足的大规模计算需求。在岩石破裂过程分析系统单机版的基础上，结合现代有限元方法，利用超大规模并行计算技术，实现了应力分析模块中有限元计算的并行处理。计算实例表明，并行有限元程序具有很高的加速比，在机群上能够快速完成三维条件下近千万个自由度的应力分析求解，为实现岩石破坏过程分析系统的大规模科学计算提供一定的参考价值。     

基于改进刚体弹簧方法的岩石破坏过程三维模拟

基于刚体–弹簧方法,提出一种新的模拟脆性岩石破坏过程的三维离散数值模型。该模型采用分布在界面上的弹簧组,描述块体之间的相互作用,能够自然考虑裂纹的渐进扩展。为得到均质各向同性的计算网格,在“点饱和”方法的基础上,提出了增长式的“核”布置策略,建立一种新的随机Voronoi网格剖分技术,并给出三维改进刚体–弹簧方法的基本方程。考虑界面的剪切滑移和张拉2种破坏模式,建立基于Mohr-Coulomb准则和抗拉强度准则的破坏准则,并提供模型细观参数的标定流程。最后,通过与室内三轴试验结果对比,验证了该模型的有效性。此外,还讨论了不同弹簧布置形式及块体尺寸对模拟结果的影响。结果表明,所提模型能够准确描述岩石与围压相关的非线性应力–应变响应过程,微裂纹的产生、扩展和贯通全过程,以及岩石的在不同围压条件下的宏观破坏模式。     

基于改进刚体弹簧方法的开挖损伤演化分析EI北大核心CSCD

基于改进刚体弹簧方法研究结构面在围岩开挖过程中的响应及围岩损伤区范围。改进刚体弹簧方法基于Voronoi网格,能够显式模拟细观裂隙的起裂、扩展和贯通过程。界面破坏准则结合了Hoek-Brown准则和抗拉强度准则,能同时考虑拉裂和剪切2种破坏模式。计算采用渐变式的网格,对重点关注区域进行网格局部加密,这种方式可以精细考虑开挖面附近的围岩损伤同时提高计算效率。为验证模型的合理性,在弹性条件下对一个简单算例进行计算,计算结果与有限元结果吻合良好。以锦屏二级水电站引水隧洞为例,计算NWW向优势陡倾节理在不同开挖步对围岩损伤区的影响,损伤区分布规律与现场观测结果基本吻合。     

热应力作用下的岩石破裂过程分析

热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。岩石热破裂研究的工程意义重大。根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。RFPA^2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。     

三轴压缩下层状盐岩体细观损伤本构模型

基于层状盐岩体的结构特征,引入已有细观损伤本构模型描述盐岩相的响应特性,运用混合物理论推导得到适合于描述层状盐岩体在三轴压缩过程中损伤演化特性的层状盐岩体细观损伤本构模型,对云应层状盐岩三轴压缩进行计算,分析围压对盐岩所受等效附加侧向应力的影响。计算结果表明,该模型能较好地描述试验现象,其结果对深部盐岩油地下储存和层状盐岩体内的油(气)储库的稳定性分析具有重要意义。     

多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试

 综合运用声发射定位技术的灵敏性以及CT技术的直观性等特点,实现对多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程的精细测试。通过分析加载过程中声发射定位事件、CT扫描切片以及CT数的变化,获取多裂纹岩石裂纹扩展破坏过程。加载之初,岩石试件虽总体上表现为裂纹压密,但局部仍可追踪试件内部原生裂纹起始扩展,并随载荷增加向两端逐渐扩展、渐进破坏直至形成贯通破裂面。为探索岩石微细观破坏机制和裂纹扩展演变规律,推进岩石力学试验可视化技术的发展奠定基础。     

复杂裂隙岩体水–力耦合模型及溶质运移模拟

 在刚块弹簧法中引入非线性的裂隙本构关系,同时考虑裂隙法向的非线性应力变形关系、切向的剪切滑动以及剪胀效应,使得该方法可以较为真实地模拟裂隙开度在复杂应力作用下的变化。结合离散裂隙网络方法,建立采用隐式求解的复杂裂隙岩体的水–力耦合模型。该模型显式考虑裂隙存在,能很好地模拟裂隙网络在应力和渗流作用下的演化特征。在水力耦合达到平衡状态后,进行溶质运移分析,采用粒子追踪法模拟溶质在裂隙网络中随渗流的运移过程。根据所提出的模型编制相应程序,对DECOVALEX项目中的典型算例进行分析,研究不同应力条件对渗流以及溶质运移结果的影响以及不同应力条件下水力耦合的控制性机制。研究发现,低应力比条件和高应力比条件下对水力耦合作用起控制作用的分别是法向应力变形关系和剪胀效应。通过对比分析,验证模型的合理性。在此基础上,讨论高水头条件下考虑水力耦合效应的必要性。     

三轴压缩情况下岩石变形特征的滑移型裂纹模拟

根据滑移型裂纹模型,基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理,建立了三轴压缩情况下岩石材料的变形模型,并模拟了围压为20,50,80 MPa时花岗岩的变形特征。研究结果表明,模拟结果与实验结果符合得比较好,为通过裂纹模型定量研究岩石材料在三轴压缩情况下的变形特征提供了一种可行方法。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

盐岩的压缩试验研究与损伤模型模拟

基于C.S.Desai提出的扰动态概念,对围压0～25MPa范围内盐岩在三轴压缩下的应力-应变关系进行初步模拟分析。在此模拟过程中,材料的完整态采用ZWT模型进行描述,完全扰动态则采用Mohr-Coulomb摩擦力的表述形式。由此研究模型中相关系数与围压的关系。研究结果表明:此模型能够较好地应用于盐岩三轴压缩过程的模拟分析。盐岩的三轴损伤模型的计算结果与试验结果吻合较好。     

循环荷载作用下含缺陷岩石破坏特征试验研究

 采用水泥砂浆材料和充填材料模拟含缺陷岩石,分别对含孔洞、柔性充填物及刚性充填物试样进行低周疲劳试验,观察含缺陷试样的疲劳破坏特征,得出含缺陷试样的轴向不可逆变形阶段性规律,研究不同缺陷对岩石类材料的疲劳寿命、疲劳裂纹萌生及其扩展的影响。试验结果表明：循环荷载作用下含缺陷岩石试样的轴向不可逆变形经历初始变形、等速变形以及加速变形3个阶段;含缺陷试样疲劳裂纹首先在有较大应力集中的缺陷与基体材料界面边缘处萌生及扩展;在相同循环加卸载条件下,预制孔洞直径越大,对应的孔洞试样疲劳寿命越短;刚性充填物试样最容易发生疲劳破坏,孔洞试样次之,柔性充填物试样疲劳寿命最长。     

节理岩体模型单轴压缩破碎规律研究

 为进一步研究节理倾角和节理连通率这2个参数对岩体单轴压缩下破碎特征的影响,对这些试件试验后的碎屑进行筛分试验。碎屑按照粒径d≥10 mm,5 mm≤d＜10 mm,0.075 mm≤d＜5 mm和d＜0.075 mm分为粗粒、中粒、细粒和微粒4个粒级。计算各粒级碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数、碎屑比表面积和碎屑尺度–质量分布的分形维数。研究结果表明,粗粒碎屑的质量百分比随着节理倾角的增加先增大后减小,在45°附近有最大值。而其他粒级的碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数、碎屑比表面积和碎屑尺度–质量分布的分形维数随节理倾角的变化规律则相反,在45°附近有最小值,这与强度和弹性模量随节理倾角的变化规律相似。与各节理倾角下试件强度和弹性模量随节理连通率增加而单调减小的规律不同,试件碎屑的统计参数随节理连通率的变化规律较为复杂。总体上,节理倾角为0°,15°,75°和90°的试件,碎屑的粗粒质量百分比较无节理完整试件的低,而碎屑的中粒、细粒和微粒的质量百分比、各粒径范围内的频数、比表面积、分形维数都较无节理完整试件的要高,表明节理的存在使得其破碎程度提高,能量耗散增多;而节理倾角为30°,45°和60°的试件则有相反的规律。这是由于前一组节理倾角试件的破坏模式除包含有无节理试件的劈裂破坏模式外,还伴随有压碎或转动破坏模式,其破裂面数和能量耗散总量要高于后一组节理倾角试件的压剪破坏模式,其中节理倾角为45°的试件仅沿对角线形成一个剪切贯通面,破裂面数和能量耗散最小。     

三轴压缩下岩石强度与破坏面角度的双剪理论分析

应用双剪理论对岩石在三轴压缩载荷下的强度和破坏特性进行了理论分析，并将分析结果与已有实验作了对比。研究表明，在岩石的强度特性方面，双剪理论所得分析结果与实验结果较吻合。而在岩石的破坏面角度方面，分析与实验尚需作进一步研究。这可能是由于岩石的破坏特性较之强度特性对其微观结构构造和实验面的条件更敏感所致。然而，作为一种宏观强度理论，双剪理论除了能很好地表述岩石的复杂强度特性外，还具有数学表达简明、便于工程应用等特点，是分析岩石在复杂应力条件下力学特性的有效工具。