深部节理岩体局部破裂化数值模拟分析

基于Hoek-Brown应变软化模型及量化地质强度指标IGS围岩评级系统,分析了深部节理岩体在开挖卸载过程中强度的弱化行为.通过FLAC3D软件构建精细数值模型,分析不同IGS质量等级岩体局部破裂化特征.研究表明:当IGS=75时,围岩局部破裂化现象并不明显,随着IGS指标的降低,围岩出现应变局部化现象,破碎带范围随着IGS指标降低而增大;当采用不同网格密度的数值模型进行计算时,围岩最终位移量较为接近,但所获得的围岩特征曲线在低围岩压力区域存在一定差异,表明在采用收敛约束法计算支护结构稳定性时,不考虑分区破裂化影响时所获得的计算结果要偏于安全.     

岩石类材料摩擦局部化损伤本构关系研究

基于损伤弱化与摩擦强化的思想,利用弹簧、胶结杆、滑片组成细观子链D,并引入剪切带宽度,建立了摩擦局部化损伤本构关系.在本构关系的应力-应变曲线上,随剪切带宽度的增加,硬化模量和峰值强度降低.对比已有的应变梯度理论发现,在细观层次上局部化失稳表现为剪切滑动旋转机制,摩擦滑动效应与已有的应变梯度效应具有物理等效性.各种加载条件下的应力-应变曲线形态表明,局部化带宽度的变化对应了各种通过作用于微观键而影响岩石力学性质因素的变化,如温度、加载速率、颗粒尺寸、气体在岩石内表面的吸附作用等.因此,摩擦局部化损伤本构关系适用于更为复杂的工程地质条件.     

韧性金属平面应变拉伸失稳与应变局部化的剪切效应

讨论了韧性金属平面应变拉伸失稳与应变局部化的剪切三轴效应。对常规平面应变大变形厚向应力表达式进行了修正,计入塑性域内剪应力的影响,采用文献[1]的有限元方法进行数值模拟,并与忽略这种剪切效应的常规方法计算结果进行比较。讨论了初始表面不均匀性对剪切效应的影响程度。     

三维岩样单轴压缩端面效应及破坏数值模拟

采用三维拉格朗日元法，对三维岩样在单轴压缩及不同端面约束条件下，试样端面上压应力的分布及演化规律、试样的破坏过程及空间局部化区域的形态进行数值模拟研究。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。数值结果表明，对于粗糙端面，由于强烈的端面约束，试样的弹性区是以两端面为底面的锥体；锥体一旦形成，随着时间步的增加，其体积基本保持不变；压应力集中于端面的四个边上。对于光滑端面，弹性区被塑性区所包围，随着时间步的增加，弹性区逐渐缩小，直到消失；压应力集中于端面的中心。在平面应力状态下，未观测到明显的局部化剪切带图案。无论粗糙还是光滑端面，三维岩样都发生了明显的剪切破坏。三维岩样内部的剪切应变局部化带有主有次，占主导地位的剪切带尺寸较大，应变率集中程度较大。     

双轴比例加载条件下岩石的应变局部化分析

采用梯度塑性理论对双轴比例加载条件下岩石变形局部化进行研究.应用应变梯度塑性增量本构关系,推导Mises屈服准则下岩石应变局部化带的带宽及其倾角的解析表达式.通过绘制定值泊松比和定值E/λ条件下的应变局部化带的带宽与倾角随双向荷载比值的变化曲线,分析应变局部化带宽度和倾角的变化范围及极值.结果表明:双轴比例加载条件下泊松比和E/λ对应变局部化带带宽和倾角的扩展作用效果相反,双向荷载比值在一定区间内的提高会促进应变局部化带的发展,区间具体大小与泊松比、E/λ有关.     

非局部应变软化破坏模型中的权函数

对在非局部应变软化破坏模型中起重要作用的权函数进行研究,导出其具体表达形式,并分析了它的性质,其中包括该权函数与非均质材料特征长度的关系。文中还给出了非局部应变软化破坏模型中非局部量的具体计算方法。权函数的选择对于建立较客观的非局部应变软化破坏模型并用数值方法分析非均质材料的破坏性能有重要意义。     

应变软化土质边坡渐进破坏的演化模型

考虑到土体的流变效应 ,通过推广不平衡推力法 ,提出了具有应变软化性质的土质边坡渐进破坏的一个力学模型 .该模型采用Maxwell松驰模型描述局部破坏后滑裂面上土体的抗剪强度随时间的变化情况 ,用时间安全系数来描述边坡的稳定状态 ,并且不必假定渐进破坏从坡角开始 ,因而更接近实际情况 .通过数值模拟 ,清晰地揭示了边坡渐进破坏的历时演化过程 ,并证实了边坡的安全系数随时间推移而逐渐变小的规律     

双轴压缩试验中砂土剪切带形成的离散元模拟分析

采用离散单元法软件PFC2D模拟了大量砂土试样双轴试验,分析了砂土剪切带形成机理及发展过程,并通过研究试样剪切带内外应力-应变关系及孔隙比、平均接触数及配位数等参数的变化情况,研究了带内外宏微观性质的差异。研究表明:砂土剪切带的形成过程即为试样内部应变局部化过程,也为试样内部平均转动率(averaged pure rotation rate, APR)的局部化;剪切带开始形成点也为试样剪缩、剪胀分界点;剪切带内外各宏微观参数变化规律上存在明显的差异,主要表现为近剪切带位置土体及带内土表现为应变软化现象,而距带中心较远土体应力应变关系曲线出现‘回滞圈’现象;带内变形量明显大于带外,且带内较带外松散。     

节理倾角对单节理岩样变形破坏影响的数值模拟

采用FLAC模拟了节理倾角对各向异性岩样峰值强度、力学行为及剪切带图案的影响。节理由实体单元模拟。对于节理之外的岩石,采用莫尔库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后本构关系选择线性应变软化模型;对于节理,采用理想弹塑性的莫尔库仑准则。结果表明,无节理密实岩石的峰值强度最高。节理岩样的剪切应变或集中在节理上,或集中在新剪切带上,峰值强度随节理倾角而改变。新剪切带启动于节理的端部,然后沿其固有方向传播。当节理倾角适中时,节理岩样的峰值强度较低,岩样的行为受控于节理。当节理倾角较高或较低时,可观测到应变软化行为。若节理倾角较低,新剪切带的长度随节理倾角的降低而增加,这导致了陡峭的峰后应力-应变曲线。若节理倾角较高,由于节理倾角对新剪切带的厚度和倾角几乎没有影响,因此,峰后斜率不依赖于节理倾角。     

不同接触位置的红砂岩规则锯齿节理面剪切特性研究

不同接触位置对规则锯齿节理面的剪切特性存在一定影响,为探究其影响规律,制作了具有相同粗糙度但接触位置不同(平直部分集中分布于节理面中部或对称分布于节理面两侧)的规则锯齿节理面,在不同起伏角、不同竖向应力条件下开展直剪试验.试验结果表明,节理面的剪切应力-剪切位移曲线可划分为4个阶段:峰前线弹性阶段、峰前非线性阶段、峰后软化阶段、峰后残余阶段.线弹性阶段节理面的剪切刚度、破坏时峰值剪切强度与锯齿的起伏角、节理面所受竖向应力以及节理面接触位置均有关;但残余剪切强度只与节理面所承受的竖向应力有关,符合摩擦作用的规律.     

平面应变含缺陷岩样变形破坏全过程数值模拟

采用拉格朗日元法(FLAC)研究了左边界有缺陷的压缩岩样剪切带的启动及演变规律，峰后本构关系采用线性应变软化模型．计算结果表明，在应力一时步曲线峰值之前，剪切带首先出现在缺陷附近，直到贯通试样右边界；在剪切带传播过程中，塑性区沿切向及法线向外扩展；剪切带内部单元的剪切应变率一时步曲线经历了稳定、线性上升和非线性上升3个阶段．然而，剪切应变增量随时步持续增加．剪切带倾角接近于Arthur倾角，表明数值计算结果是可信的。     

Analysis of progressive failure of pillar and instability criterion based on gradient-dependent plasticity

A mechanical model for strain softening pillar is proposed considering the characteristics of progressive shear failure and strain localization. The pillar undergoes elastic, strain softening and slabbing stages. In the elastic stage, vertical compressive stress and deformation at upper end of pillar are uniform, while in the strain softening stage there appears nonuniform due to occurrence of shear bands, leading to the decrease of load-carrying capacity.In addition, the size of failure zone increases in the strain softening stage and reaches its maximum value when slabbing begins. In the latter two stages, the size of elastic core always decreases. In the slabbing stage, the size of failure zone remains a constant and the pillar becomes thinner. Total deformation of the pillar is derived by linearly elastic Hooke‘s law and gradient-dependent plasticity where thickness of localization band is determined according to the characteristic length. Post-peak stiffness is proposed according to analytical solution of averaged compressive stressaverage deformation curve. Instability criterion of the pillar and roof strata system is proposed analytically using instability condition given by Salamon. It is found that the constitutive parameters of material of pillar, the geometrical size of pillar and the number of shear bands influence the stability of the system; stress gradient controls the starting time of slabbing, however it has no influence on the post-peak stiffness of the pillar.     

剪胀对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数，研究了剪切扩容对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。分析表明，增加剪胀角使岩样由单一向共轭剪切破坏转变，并使接近Arthur倾角的剪切带倾角增加。剪切带宽度随剪胀角增加，可由基于梯度塑性理论且考虑剪胀后的剪切带宽度公式进行解释。剪胀角增加导致峰值强度及对应的轴向、侧向及体积应变增加。在峰后，由于剪胀引起剪切带条数及宽度增加，因而，轴向应力-轴向及侧向应变曲线软化段都变平缓。剪胀角较高时，岩样可获得更大的侧向变形量及泊松比，甚至是负的体积应变；岩样失稳破坏的前兆更加明显。     

孔隙压力对岩样全部变形特征的影响

目的 研究了孔隙压力对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响．方法 利用FLAC内嵌语言编制的FISH函数计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比．在峰前及峰后，岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型．结果 随着孔隙压力的增加，岩样的破坏区域越来越广泛；剪切带倾角都接近于Arthur倾角；峰值强度及所对应的轴向、体积应变及侧向应变的大小均降低．当孔隙压力较低时，峰后应力-轴向应变曲线及应力-侧向应变曲线软化段斜率基本保持不变，根据单轴压缩条件下的解析解，这是由于岩样的破坏模式不随孔隙压力的增加而改变．结论当孔隙压力较高时，大量的单元发生破坏将消耗较多的能量，这使应力-轴向应变及侧向应变曲线软化段变平缓；岩样在轴向应变较低时就可获得较高的侧向变形量及泊松比，甚至负的体积应变．岩样失稳破坏的前兆的明显程度不随孔隙压力的改变而改变．     

土体应变软化对盾构掘进面稳定性的影响

随着盾构隧道的大量兴建,掘进面稳定性的合理分析显得十分重要。采用有限差分法程序对应变软化砂土的剪切带进行模拟,分别与实验结果和解析结果比较,验证了数值方法的正确性。建立盾构隧道的三维数值模型,分析不考虑渗流时土体应变软化对掘进面极限支护压力的影响,对比渗流条件下考虑应变软化和不考虑应变软化时盾构掘进面极限支护压力的差别,以及相应的土体位移、塑性区范围和地表沉降的不同。结果表明,考虑应变软化时数值都明显增大,更容易导致掘进面失稳。同时探讨了剪胀角和内摩擦角的不同软化行为对掘进面稳定性的影响。最后,考虑了土体的应变软化行为,对天津地铁九号线施工中的支护力进行预测,预测的结果与工程监测值相吻合。     

复杂应力条件下岩石的拉剪变形及破坏准则研究

根据不同围压条件下的粉细砂岩三轴压缩全程试验,分析了围压对砂岩峰值强度和破坏方式的影响,研究了压缩过程中砂岩的拉、剪变形随围压的变化规律。结果表明:粉细砂岩峰值强度与围压的关系是一条有拐点的折线,围压低于拐点对应的临界围压σ3L时,粉细砂岩的破坏方式仍为剪切破坏,但其强度受到张拉变形影响而低于Coulomb准则的计算值,岩石破裂面与最小主应力夹角大于(45°+φ/2);围压高于σ3L时,粉细砂岩的破坏仅受剪切变形控制,张拉变形对强度的影响可以忽略,岩石进入完全剪切破坏状态,破裂面角度与(45°+φ/2)吻合。在此基础上,提出了反应砂岩破坏过程中张拉应变和剪切应变相互关系的指标值ft/fγ,并据此推导了砂岩在不同围压下的强度准则,与实际情况较为吻合。     

Dynamic analysis of fault rockburst based on gradient-dependent plasticity and energy criterion

Fault rockburst is treated as a strain localization problem under dynamic loading condition considering strain gradient and strain rate. As a kind of dynamic fracture phenomena, rockburst has characteristics of strain localization, which is considered as a one-dimensional shear problem subjected to normal compressive stress and tangential shear stress. The constitutive relation of rock material is bilinear (elastic and strain softening) and sensitive to shear strain rate. The solutions proposed based on gradientdependent plasticity show that intense plastic strain is concentrated in fault band and the thickness of the band depends on the characteristic length of rock material. The post-peak stiffness of the fault band was determined according to the constitutive parameters of rock material and shear strain rate. Fault band undergoing strain softening and elastic rock mass outside the band constitute a system and the instability criterion of the system was proposed based on energy theory. The criterion depends on the constitutive relation of rock material, the structural size and the strain rate. The static result regardless of the strain rate is the special case of the present analytical solution. High strain rate can lead to instability of the system.     

应变软化及剪胀性土体中考虑大应变的孔扩张问题解析

采用应力跌落模型模拟土体的应变软化,以Mohr-couloub屈服准则和不相关联的流动法则考虑土体屈服塑性流动和剪胀特性,引进对数应变考虑土体的大变形,给出了应变软化及剪胀性土体中考虑大应变的孔扩张问题的弹塑性解析解,为了对比,还给出了小应变情况下位移的解析表达式.分析了大、小应变理论、不同剪胀特性、不同软化程度和考虑塑性区弹性变形与否对结果的影响.结果表明:在孔扩张压力较大时,用小应变理论会引起很大误差,必须考虑大应变;在相同扩张力作用下,土体的软化程度越高,扩张率越大,土体的剪胀角越大则扩张率越小.土体的软化和剪胀特性还影响极限扩张压力,软化越严重,极限扩张压力越小;剪胀角越大,极限扩张压力越大.