单轴拉伸条件下断续节理岩体锚固效应试验研究

 选用改性橡胶粉–水泥砂浆模拟岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆模拟材料,通过室内试验研究单轴拉伸条件下,锚杆对含贯穿裂隙岩体的加固效应。结果表明：与不加锚试件的破坏形式相比,加锚试件均表现出塑性破坏特征;锚杆提高了节理岩体的变形模量和单轴抗拉强度,且加锚试件的变形模量和单轴抗拉强度随锚固角的增大先增大后减小;随着锚固角的增大,试件后期破坏模式发生改变,这与锚杆的黏结性能和抗剪切性能的复合作用有关。     

节理裂隙岩体渐进破坏机理研究综述

岩体的变形和破坏是岩体工程的核心问题.岩体破坏过程的研究对岩体工程的合理设计、安全施工、有效维护具有重要的指导意义.在综合分析岩体渐进破坏特性、岩体破坏模式的基础上,从断裂力学方法、损伤力学方法、数值方法、试验方法等几个方面描述当前节理裂隙岩体渐进破坏机理的研究现状,最后对目前研究中存在的一些问题提出了建议.     

含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

岩体中裂隙的起裂、扩展及贯通是岩体破坏的重要原因,交叉裂隙是一种最为典型的基本裂隙网络组成单元,其在复杂应力场条件下的扩展贯通规律目前还缺乏深入的研究。本文采用RFPA2D对含交叉裂隙岩体破坏过程进行研究,探讨主裂纹与加载方向夹角变化、主裂纹与次裂纹的夹角变化对试件破坏模式及破坏力学性质的影响。模拟结果表明,主裂隙与加载方向垂直或者平行时,试件主要沿次裂隙发生剪切破坏;主裂隙与次裂隙夹角较小时,试件主要沿主裂隙发生剪切破坏。主裂隙角度一致时,大部分含交叉裂隙岩体的峰值强度低于含单一裂隙的岩体强度,主裂隙与加载方向夹角为45°时,岩体强度最低;岩体强度最高一般为主次裂隙夹角为0°或90°时;围压条件下,裂纹扩展方式较单轴压缩时更为复杂,很少出现由单条裂隙控制的破裂面,主要破裂面为主次裂隙首先贯通,且裂纹扩展时易产生较多的次生裂隙。数值模拟研究可以避免物理试验中的离散性,获得更为系统性的裂隙扩展贯通规律,对于解释岩体力学物理试验和解决工程问题都有重要的参考价值。     

基于DDARF的节理岩体破坏和锚固效应

采用DDARF方法模拟双裂隙试件在单轴和双轴压缩条件下的裂纹扩展过程,研究裂隙间距、裂隙角度、裂隙错距和侧向应力对岩块特性的影响,研究表明,试块的峰值强度随着裂隙间距和裂隙错距增加均呈现"W"型变化,随着角度增加呈现"V"型变化,并且随侧向压力的增加,峰值强度和起裂应力均比单轴压缩时提高。对单节理锚固试件进行单轴压缩模拟试验,得到了4种不同锚固角度试块的裂隙扩展规律,研究发现,锚固角度并不是越大越好,存在一个最优锚固角度。对某水电站坝址高边坡进行稳定性分析,加锚后坡脚虽然萌生新裂隙,但是加锚后裂隙扩展的规模和范围受到限制,裂隙并没有扩展到坡体内,无法与深部裂缝贯通,也就不能形成滑动面,从而提高边坡的稳定性并减小边坡的变形。数值模拟结果与相似材料模型试验结果吻合,表明DDARF方法能有效地模拟岩体裂隙扩展过程以及锚杆锚固作用。     

船闸边坡节理岩体锚固效应的模型试验研究

通过室内相似材料模型块试验,研究了在不同的布锚参数下三峡船库高边坡节理岩体的抗压强度、弹性模量、泊松比及扩容特性等力学性质的变化规律,得出了一些有益的结果。     

深部裂隙岩体锚固机制研究进展与思考

 高地应力、高地温、高渗透压以及强时间效应使得深部裂隙岩体表现出一定的延性、蠕变性等软岩力学特性,现有锚固理论落后于工程实践的现状,导致许多锚固工程设计多采用经验、半经验方法。几十年来,国内外诸多学者对深部岩体锚固机制开展了大量现场、室内试验及数值计算工作,岩体锚杆锚固作用机制方面的理论研究取得了丰硕成果,但由于深部岩体所处地质条件的复杂性,这些成果普适性和准确性较低。结合已有的锚固理论,运用合理的数值模拟方法与现场、室内试验对岩土锚固机制进行深入研究,进而指导锚固工程设计施工具有重大意义。对深部裂隙岩体锚固机制研究现状进行了系统全面的总结,归纳分析了该研究领域存在的关键科学问题,主要包括：选择合理的锚固力学传递计算模型、正确描述锚固体应力分布规律、建立合理的锚固界面力学模型。深部裂隙岩体锚固机制研究应综合考虑工程应用效果和加锚岩体形态、加锚构件效应等因素。     

岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应的非线性动力学分析与应用

通过MTS系统、扫描电镜和光学电子显微镜等岩石力学实验研究，抽象出砂岩全应力一应变实验曲线的3种典型形态，从断裂损伤角度探讨了岩石节理裂隙微观、细观和宏观破坏的机理联系。提出了圆与正方形相耦合的分形维数计算方法和相空间重构时滞判定的功率谱分析法，将该方法应用于岩石节理裂隙分布尺度效应研究和混沌动力学评价TDS准则的建立；同时，补充了非线性动力学研究的基础理论与方法。运用分形理论分析砂岩跨越尺度界限的微、细、宏观节理裂隙分布特征，得到了砂岩节理裂隙分布的无标度区域，为解决岩石断裂机理的尺度效应问题提供了可行途径。在无标度区域建立了定量描述岩体结构的节理裂隙分布（条数）预测模型，并将该预测模型应用于岩石破坏机理的离散单元法研究。通过岩石力学实验建立了混沌动力学评价岩石节理裂隙系统破坏的TDS准则数学模型，在一定程度上克服了Wolf方法判定混沌动力学指标鲁棒性较差的局限。提出岩石全应力-应变曲线的二分法原则，应用混沌动力学评价TDS准则定性研究了砂岩全应力-应变曲线的分段特征，运用Kolmogorov熵理论实现了岩石节理裂隙贯通与否的定量判别，并尝试应用于岩石强度准则的研究。基于断裂力学理论及能量余法建立坚硬顶板及三维顺层滑坡系统的运动方程，运用混沌动力学评价TDS准则分析运动方程的稳定性，得到了资源开采活动对坚硬顶板系统稳定性的扰动规律和三维顺层滑坡体阻尼敏感的系统效应。混沌动力学理论与3DEC反演建模相结合，研究坚硬顶板运动的阶段特征，由此可以控制坚硬顶板从冲击性整体运动向周期性分段运动转化，并实现对其运动状态的短时预测。将混沌动力学评价TDS准则应用于现场顺层滑坡的稳定性评价，得到阶段Kolmogorov熵值的升高是滑坡体稳定性状态突变时机及临界状态预测的关键，证明了从能量角度分析与预测滑坡系统运动状态这一方法是可行的。     

断续节理岩体劈裂破坏的贯通机理研究

利用裂纹孤立原理结合裂纹线场理论，研究了压应力作用下断续节理线尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场，然后将精确弹性区应力场和脆断区应力场相匹配，进而确定脆断区长度和荷载之间的关系。利用脆断区长度和荷载之间的关系，从理论上分析了断续节理产生劈裂破坏的贯通机理，并且确定了断续节理岩体发生劈裂破坏的强度。通过和实验结果对比分析，论证了理论模型的正确性和可行性。     

含裂隙岩体点触探破坏机制研究

岩石点触探试验是间接评估岩体力学特性的重要方法，在其原位应用过程中，岩体的触探特性会受到原位裂隙的重要影响。为了明确岩体裂隙对点触探试验的影响范围，揭示含裂隙岩体点触探的破坏机制，量化不同裂隙对点触探指标的影响，进行一系列含裂隙岩体的室内点触探试验，并通过数值模拟对其破裂机制进行了研究。试验结果表明：点触探加载点下方的影响区域内存在裂隙时会改变点触探破坏模式和强度特性。当裂隙延伸至加载压头附近时，点触探加载下岩体会发生从加载点向该裂隙端部的剪切破坏，裂隙内端的位置决定了点触探的强度及裂纹扩展路径，基于剪切破坏的极限平衡原理可建立点触探强度与剪切路径的对应关系。为了进一步阐明含裂隙点触探破裂规律，通过数值模拟分析了裂隙内端延伸至压头附近不同区域条件时点触探特性，根据破坏模式界定了触探加载点下方的裂隙影响范围，通过定义弱化系数量化了影响区域内不同裂隙对点触探强度的影响程度。同时基于岩体裂隙扩展路径耗能规律，对多裂隙条件下的点触探破裂特性进行了探讨。     

循环荷载作用下层状节理岩体锚固效果的物理模拟研究

运用物理模拟方法，研究了在循环荷载作用下层状节理岩体非锚固与锚固模型的弹性模量E随岩体分层厚度h和块度α(岩块体积的立方根)的变化规律。试验的16个模型是层状和层状节理岩体非锚固与锚固模型各4个。得出的结论是：层状与层状节理岩体非锚固模型的E随h或α呈指数规律变化。层状与层状节理岩体，在第1加载循环时E随h或α呈对数规律变化：在循环加载时E随h或α呈线性规律变化。在非锚固条件下，岩体发生由表及里的层裂破坏，而锚固使层裂破坏得到了有效控制，模型破裂后仍具有良好的整体承载性能。岩体的h和α越小，锚固效果越好。高应力条件下对层状与层状节理岩体的锚固必须强调各锚固件的强度和锚杆的预紧力。     

柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析

 将柱状节理岩体整体考虑为一种广义宏观复合材料是一种行之有效的研究方法,为此建立复合型多弱面软化模型,采用VC++语言成功开发并嵌入FLAC3D程序。以白鹤滩水电站的地质条件为研究背景,对柱状节理岩体进行单轴压缩和三轴压缩的模拟计算,分析不同节理面倾角和倾向的试块破坏过程,得出各种情况下破裂面分布和破坏形态,并总结具有普遍意义的破坏规律。通过三轴试验还得到在处于合适的地应力条件时,柱状节理岩体整体强度及节理面之间的咬合力均较高的结论,与现场勘测结果一致。同时,研究压缩破坏过程中外载和变形的规律、塑性破坏区的产生、破裂区的分布和发展以及能量的耗散等,从多方面对柱状节理岩体的破坏机制进行探讨,以便更好了解该类岩体的力学特性。     

节理岩体力学参数的选取与应用

在岩块的变形和强度参数及岩体结构面的野外统计窗资料的基础上，利用损伤力学和Hook-Brown准则进行节理岩体力学参数的选取，从而为岩体工程数值模拟提供较可靠的参数。最后，给出了该方法应用于浙江三门核电厂人工边坡数值计算的实例。     

应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。     

山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制研究

 我国西部山前的高陡构造油气蕴藏丰富,但剧烈构造运动形成的节理岩体在钻井过程中容易出现井壁失稳问题,严重制约了勘探开发效益的提高。深入研究节理岩体井壁失稳机制对解决这一难题具有重要意义。结合中国天山山脉南缘霍尔果斯构造的地质情况,利用RFPA2D-flow软件建立山前构造节理岩体的井眼模型,探讨了井眼周围应力场和渗流场的特点,模拟了井壁围岩失稳坍塌的过程,讨论了稳定井壁的对策。井壁周围的应力集中出现在水平最小主应力方位上,而渗流则主要发生在水平最大主应力方位的节理面上,随着渗流作用节理面上流体压力逐渐升高,并导致围岩在节理面上发生拉张破坏而坍塌,井壁坍塌主要出现在水平最大主应力方位上。这一结果合理解释双井径测井曲线上井眼长轴发生翻转的现象。研究结果表明,降低节理面的渗流速度能够明显地减轻节理围岩的失稳,说明加强钻井液封堵性能对稳定井壁具有针对性;过低的井眼液柱压力会导致水平最小主应力方位上井壁围岩剪切破坏,然而过高的井眼液柱压力却对水平最大主应力方位上节理围岩的稳定产生不利影响,说明控制泥浆密度上限是必要的。研究成果对山前高陡构造钻井的井壁稳定问题具有参考价值。     

拉剪条件下节理岩体中锚杆的力学作用分析

在分析穿过节理的锚杆与岩体相互作用的机理后，采用线弹性断裂力学的方法，分析在拉剪综合作用下锚杆对裂纹尖端应力强度因子产生的贡献，并揭示了各种应力作用情况以及锚杆与节理面之间不同的夹角下锚杆的作用规律。计算分析结果表明，锚杆的作用使节理端部的应力强度因子发生转换，从而明显降低了对岩体破坏产生主要作用的应力强度因子。这是锚杆能够加固节理岩体的重要原因。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

柱状节理岩体各向异性特性及尺寸效应研究

 白鹤滩水电站坝基基岩及深部洞室围岩以柱状节理岩体为主,其力学特性极其复杂。为此,开发多弱面软化本构模型,可以方便地定义和描述多组斜交节理面的力学属性和屈服后的软化特性;并考虑柱状节理岩体内部介质的非均匀性,从细观角度建立整体力学属性满足Weibull分布的概率模型;在对概率分布参数进行敏感性分析的基础上,结合刚性承压板试验结果,确定反映现场岩体结构的概率分布参数。同时,采用Voronoi算法构建了无规则性和随机性排列的四面体、五面体和六面体柱面的随机模型,综合该三方面因素对柱状节理岩体的各向异性特性展开研究,得出不同方向承载性能和变形特性的差异。对不同尺寸下多组试块进行分析计算,获取了不同方向的弹性模量和抗压强度随试块尺寸的变化曲线,证明柱状节理岩体还具有明显的尺寸效应,并确定了其特征尺度。     

柱状节理岩体各向异性强度准则研究

以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。