基于改进刚体弹簧方法的开挖损伤演化分析

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。     

应力作用下软硬互层岩石破裂过程的细观模拟

 采用数值模拟方法研究软硬互层岩石材料在不同围压条件下的压缩破坏过程。利用改进刚体弹簧方法,模拟细观裂隙的起裂和扩展过程。界面破坏准则结合莫尔–库仑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。岩石材料由以Voronoi图形为基础的块体集合表征为显式模拟结构面,提出一种分步插点的计算网格自动生成算法。对已有的典型实验进行计算,模拟得到不同围压下不同倾角数值试件的破坏模式和抗压强度。与实验结果的对比表明,改进刚体弹簧方法能够定性和定量地描述由于软硬互层结构引起的抗压强度各向异性,不同围压条件下得到的破坏模式也与实验结果吻合良好。     

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。     

深部岩体分区破裂化现象数值模拟

 利用数值手段模拟深部岩体分区破裂现象的产生及演化过程。从岩石的细观结构层次出发,基于最大拉应力准则和应变能密度理论建立单元破坏准则,并应用弹性损伤力学方法来模拟岩石的破坏行为,数值模拟过程中,必须考虑地下洞室开挖释放的能量足够引起围岩产生动力现象,即将开挖过程视为一个动力过程。基于上述思想,通过FLAC3D中的FISH语言开发分区破裂化现象的计算程序,并应用该程序求解某深埋巷道围岩破裂形态,得到破裂区和非破裂区的宽度和数量,数值模拟结果与现场观测成果有很好的一致性。     

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。     

脆性裂隙围岩的损伤力学分析及现场监测研究

我国西南地区许多水电站基岩为脆性围岩或位于高地应力区。其地下式厂房洞群边墙经常出现较深的开裂区。采用断裂和损伤力学模型结合现场监测工作来研究此现象。该模型可考虑多组节理中裂隙面的各种几何损伤参数。根据应变等效假设可得到基于莫尔-库仑准则的损伤本构方程。运用断裂力学原理分析岩体在开挖过程中原有裂隙产生次生裂纹的现象,推导出岩桥贯通的破坏准则和损伤演化方程并将前述的模型程序化。再运用该新的分析程序对一个水电站洞群工程进行稳定性分析。最后,运用该工程现场监测数据得到的围岩松弛开裂区深度与程序推算的结果做比较,说明二者的劈裂区发育规律很相近。     

软岩巷道开挖面承载结构研究及分层支护设计

通过研究深部软岩巷道开挖面围岩力学承载结构的形成机理和演化规律,指导巷道结构性失稳支护工艺设计。基于软岩力学模型和统一强度准则,考虑“开挖面效应、时间效应”,推导围岩弹塑性解。在算例分析中,建立围岩力学承载结构,提出围岩结构性失稳的梯次支护的原理,发现围岩力学承载结构对巷道破坏特征有一定影响,并分析“面效应、时间效应”影响下的围岩力学承载结构稳定性。据此设计“短锚杆全长注浆-端头锚注-短锚索”梯次支护方法;经数值计算,可知改进后的梯次支护能够确定合理的锚注有效范围,该支护能使围岩形成稳定的承载结构,并及时减小围岩松动圈范围。     

圆形巷道围岩应变软化弹塑性分析

 岩土类材料广义上都呈应变软化力学行为,考虑峰后岩石应变软化过程中引起后继强度面收缩的特性,认为岩体在足够小的局部范围内材料特性保持不变,将后继破坏岩体分为多个塑性区,给出基于平面应变和Mohr- Coulomb准则的围岩准应变软化弹塑性应力解析式,并给出符合围岩后继强度和变形演变规律的各软化区半径求解方程组。洞室围岩变形特征曲线是地下工程支护设计的重要依据,考虑岩体破裂过程中变形参数不断劣化的特性,分析剪切模量劣化对围岩变形、软化半径及破裂半径的影响。最后通过算例对模型进行验证,计算结果可以对地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

基于爆破损伤的Hoek-Brown强度准则修正

传统隧道围岩分级方法未考虑爆破损伤因素对围岩分级的影响,爆破作为隧道主要开挖方法,其产生的岩体损伤对岩体分级评判标准的影响不可忽略。笔者分析了基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数取值方法,指出了Hoek-Brown强度准则和现有改进公式中确定岩体参数存在的不足。考虑爆破累积损伤效应,提出了不同围岩级别下Hoek-Brown经验常数m_b、s、a的计算方法,建立了考虑隧道埋深与爆破累积损伤效应的不同围岩级别的Hoek-Brown强度准则经验常数计算公式。以龙南隧道1号斜井爆破现场试验得到的声波变化率对修正公式进行了检验分析,验证了Hoek-Brown强度准则岩体经验常数修正公式的准确性。     

动静力组合作用下深埋隧洞开挖卸荷诱发围岩动力损伤诱因研究

深埋隧洞开挖形成的二次应力场与爆破开挖卸荷诱发的动力扰动组合作用,是导致围岩损伤破坏的主要原因。首先对深埋圆形隧洞开挖二次应力场静力作用下围岩损伤进行分析,然后以溪洛渡水电站城门洞形导流洞上层中导洞爆破开挖为背景,采用动力有限元方法模拟,对高地应力条件下二次应力场作用下爆炸荷载和开挖荷载瞬态卸荷动力扰动诱发损伤区进行计算,并基于实测的爆破振动速度资料对围岩的本构模型进行对比。结果表明,采用随动强化本构模型的计算结果更符合实测资料;随着地应力的增大,围岩二次应力场与动力扰动组合作用诱发的损伤范围也增大,符合理论分析的结果;考虑瞬态卸荷作用的工况与考虑爆炸荷载的工况相比,诱发损伤围岩的体积有较大增加,因此,随着隧洞埋深的增加,瞬态卸荷将成为诸多动力扰动中的主要因素。对围岩损伤的控制,不仅包含减小进尺和单响药量,还可以考虑将掌子面分成多个小断面进行开挖,或利用超前孔释放地应力等减弱开挖荷载瞬态卸荷强度的方法。     

渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。     

巷道围岩松动圈形成机理的动静力学解析

考虑巷道围岩在开挖过程中的动静力作用,提出了围岩松动区包含破碎区和塑性软化区两个部分。首先在围岩的瞬间卸载所产生的动力作用下,巷道周边围岩产生张拉裂隙破坏区,随后在原岩应力的静压作用下,产生拉剪复合破坏形成破碎区。塑性软化区是在原岩应力的静压作用下,随围岩变形的增大逐渐形成的。同时,根据弹性力学知识,得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场,提出了破碎区半径的求解方法。根据破碎区围岩应力的分布及残余强度理论,得到破碎区对塑性软化区的支撑反力,再利用塑性区的应力计算公式,得到了确定围岩松动区半径的计算公式。通过实例计算与实际监测对比表明,松动区的半径与现场实际观测到的结果吻合的较好。     

考虑循环爆破效应的Hoek-Brown弹塑性损伤模型及其工程应用

针对钻爆法开挖隧道围岩损伤区数值计算方法的不足,建立考虑循环爆破效应的Hoek-Brown(以下称H-B)弹塑性损伤模型并给出数值解法。首先,根据疲劳损伤理论推导了中远场循环爆破累积损伤演化公式,将爆破损伤与应力重分布造成的塑性损伤进行耦合,建立基于广义H-B准则的岩石弹塑性损伤模型;其次,利用完全隐式的应力回映算法和算子分离法给出上述损伤模型的数值解法;最后,将该模型应用于大连地铁工程的围岩稳定性分析当中,通过现场声波测试验证了循环爆破累积损伤演化公式,并对研究断面的位移值和损伤区分布特性进行计算。结果表明:循环爆破累积损伤演化公式能够较好的表达循环爆破作用下岩体损伤的演化规律,同时所建弹塑性损伤模型可以反映不同爆破次数下围岩损伤区的分布特性,比传统方法更具有优势,对工程安全设计具有较好的指导作用。     

基于刚体弹簧–等效离散裂隙网络耦合方法的水压致裂数值模型

提出一种模拟二维非稳定渗流过程的等效离散裂隙网络模型。在此基础上,结合改进刚体弹簧方法,通过引入考虑断裂能的渐进拉裂破坏准则,建立一种新的水压致裂过程数值计算模型。应力、变形、裂隙扩展过程计算采用改进刚体弹簧方法,非稳定渗流计算采用等效离散裂隙网络模型。为模拟等效的宏观渗透特性,给出细观渗流参数的确定方法,通过与一维非稳定渗流解析解的对比,验证等效离散裂隙网络模型的适用性。给出改进弹簧方法和等效离散裂隙网络水力耦合模型的计算流程,通过与弹性稳定流条件下厚壁圆筒的解析解对比,验证弹性稳定流条件下水力耦合计算格式的正确性。通过厚壁圆筒水压致裂算例验证所给模型模拟水压致裂过程的能力。与同类格子模型的对比,证明该模型的优越性。     

圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究

 深部岩体开挖过程中,能量的释放与耗散是导致围岩发生损伤破坏的重要诱因。针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用理论模型研究微差段间爆破荷载与地应力瞬态卸荷重复扰动及耦合作用下围岩应变能的变化规律,并基于弹性应变能判别准则计算围岩损伤范围。研究结果表明：在爆破荷载作用下,围岩应变能经历了先增大再减小最终趋于稳定的动态变化过程;在地应力的瞬态卸荷作用下,围岩应变能经历了先减小再增大最终趋于稳定的过程;二者耦合作用会进一步加剧围岩应变能动态调整过程,并且体现出更加明显的微差段间重复扰动效应,以开挖轮廓附近起爆的两圈崩落孔及周边孔最为明显。爆破荷载主要引起围岩张拉破坏,而地应力瞬态卸荷主要导致围岩压剪破坏,在二者耦合作用下地应力的存在会抑制爆破荷载引起的围岩张拉破坏,从而减小围岩的损伤范围。最后,采用锦屏二级水电站引水隧洞实测围岩损伤范围对理论计算方法的正确性进行了验证。     

开挖卸荷诱导的高储能岩体能量动态释放过程研究

针对深部岩体开挖,在确定围岩储能极限的基础上,采用优化的局部能量释放率和释放系数指标,研究开挖瞬态卸荷诱导的高储能岩体能量动态释放过程,并分析能量释放与围岩损伤之间的关系。研究结果表明:在开挖卸荷作用下,围岩应变能经历先减小后增大再减小最终稳定的动态变化过程,第一次先减小后增大的动态波动过程与弹性条件相似,由弹性卸载应力波引起,不会造成围岩损伤破坏,而第二次减小由围岩聚集应变能超过其储能极限造成,必然会引起围岩损伤破坏;围岩能量释放率随与开挖面距离的增大先缓慢增大后快速减小,并且越靠近开挖面,能量释放系数越大,完成能量释放所需的时间越短,能量释放越剧烈;此外,能量释放率和释放系数越大,围岩波速降越大,围岩损伤破坏越严重。因此,可通过计算围岩能量释放系数,实现对围岩损伤破坏程度的评估和预测。     

基于GZZ强度准则考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解

基于三维非线性Hoek-Brown强度准则(GZZ强度准则),提出考虑应变软化特性的圆形隧道开挖后围岩非线性力学响应的求解方法。该强度准则不仅继承了传统二维Hoek-Brown准则的优点,并可以考虑中主应力2σ的影响。根据经典弹塑性理论采用数值方法得到考虑应变软化特性的围岩应力、应变、位移及塑性区范围的解答。计算结果表明,传统二维Hoek-Brown强度准则低估了围岩的变形能力。与之相比,采用考虑中主应力影响的GZZ强度准则计算得到的塑性区和软化区半径及围岩应变值更大。围岩最大环向应力θσ位于弹–塑性区边界处,从软化区向流动区过渡过程中围岩的环向应力曲线斜率发生了突变。在塑性软化区内,围岩应变值相对较小而应力值较大;在塑性流动区内,围岩的应力值相对较小,但其应变值非常大,流动区围岩的应变值可达软化区应变值的数十倍。塑性区围岩的软化可以使隧道洞壁附近的围岩应力减小,但会使其变形大大增加。当支护压力较小时,软化作用会使围岩变形增加数倍甚至数十倍。同样,在保证洞壁收敛变形不变的条件下,围岩软化后所需的支护反力会增加数倍甚至数十倍。在高地应力地区,围岩的软化使导致隧道发生大变形破坏的关键原因。在隧道支护结构设计计算时适当考虑围岩的应变软化特征,对于避免隧道发生大变形破坏十分重要。     

一个用于预测金属板材断裂的损伤破坏准则

基于连续介质损伤力学 ,提出了描述金属板材塑性损伤的演变方程 ,并依此得到了一个用于预测金属板材断裂破坏的简单准则 .其中特别考虑了剪切机制和剪切应力在金属薄板损伤发展和最终破坏过程中的作用 ,同时也引入了材料微观损伤对材料机械性能的影响 .提出的损伤演变规律 ,可近似表征金属薄板在成型过程中损伤的发展变化 ,计算得出的损伤曲线与有关实验曲线比较吻合 .给出的损伤破坏准则 ,可直接用于预测金属板材的断裂极限应变     

数值流形方法的阻尼、收敛准则以及开挖模拟

数值流形方法采用动态松弛法求解准静力学问题,能量耗散机制不清楚.通过引入黏性和自适应两种阻尼吸收系统产生的动能,基于最小势能原理建立了考虑阻尼力影响的总体平衡方程.提出了模拟岩体分期开挖的数值流形方法,将开挖面视为特殊的不连续面,根据开挖时序设置开挖面上接触点的状态,以达到模拟分步开挖的目的,给出了相应的迭代计算格式,并定义了位移和加速度收敛准则用以判断计算过程中系统是否达到新的平衡状态.数值算例结果表明,改进后的数值流形方法具有良好的收敛性能,其计算结果与解析解以及离散元是吻合的.     

深部岩体开挖方式对损伤区影响的试验研究

 深埋隧洞开挖过程中,钻爆法和TBM开挖所对应的不同围岩应力调整路径对开挖损伤区的形成有重要影响,但这一影响尚未引起足够的重视。依托锦屏二级水电站深埋隧洞群的开挖,通过损伤区原位检测试验对比分析2种不同开挖方式下围岩损伤区的特性及形成原因;作为现场试验的补充,在考虑锦屏大理岩基本力学特性和应力瞬态调整效应的基础上,采用数值方法比较应力瞬态和准静态调整所分别形成的开挖损伤区大小。试验结果表明,锦屏二级引水隧洞钻爆开挖的洞段,内损伤区(即严重损伤区)深度可以占到总损伤区深度的50%以上,岩体基本失去承载力。另外,此区域在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一;而TBM开挖洞段,内损伤区深度约占总损伤区深度的30％,该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响,是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果;考虑锦屏大理岩脆–延–塑性转换特性和应力瞬态调整效应后,可以利用数值计算方法较为客观地估计不同开挖应力路径下围岩开挖损伤区的范围。研究结论对深埋隧洞开挖方式选择及支护策略制定具有借鉴意义。