等效岩体三维随机节理网络模型构建及其在两河口水电站中的应用

节理的存在对水电高陡岩质边坡的力学性质有重要影响,如何构建反映三维节理分布特征的等效岩体计算模型,是分析与评价岩体力学特性的关键。本文基于损伤力学和统计强度理论,在三维岩石破裂过程分析（RFPA3D）软件的基础上,提出了一种计算等效岩体三维随机节理网络模型的新方法。首先,基于Baecher模型和Monte-Carlo方法,在RFPA3D软件中实现了三维随机离散节理网络（Discrete fracture network,DFN）模型的重构。然后,利用RFPA3D软件内嵌DFN模型,赋予节理和岩石不同的力学参数,构建了工程尺度等效岩体三维随机节理网络模型,实现了三维随机节理岩体破裂过程、变形和强度等力学性质的分析。最后,以两河口水电站左岸边坡坝址区下游节理岩体为研究对象,验证了三维随机DFN模型的准确性,开展了研究区内节理岩体尺寸效应研究,并获得了研究区内岩体的表征单元体（Representative elementary volume,REV）和等效力学参数。该研究成果为等效岩体力学行为分析提供一种新方法。      

薄厚岩组合型斜坡动力响应与破坏机制的振动台模型试验研究EI北大核心CSCD

以青藏高原金沙江流域雪隆囊地区贡扎滑坡滑前斜坡为原型,设计并完成薄厚岩组合型反倾岩体斜坡振动台模型试验,研究薄厚岩组合型反倾岩体斜坡的动力响应和破坏机制。试验结果表明,在斜坡1/2坡高以上PGA放大系数增大明显;在斜坡不同高程处,由坡内到坡表,PGA放大系数变化规律不同;在斜坡高陡区PGA放大系数增大,在斜坡坡脚处PGA放大系数减小。输入地震波的频率、幅值和时间压缩比均会对斜坡动力响应产生比较大的影响。当输入波幅值比较大时,高频波激励下斜坡PGA放大系数显著增大;当输入波频率小于斜坡自振频率时,随输入波频率增加,PGA放大系数增大,超过斜坡自振频率后,坡表PGA放大系数减小,坡内PGA放大系数先减小后增大。输入波幅值对斜坡动力响应的影响与输入波类型有关,不同类型输入波激励下斜坡动力响应规律不同。不同倍数时间压缩比下,斜坡动力响应有较大变化。综合分析斜坡动力响应和高速摄像机拍照记录,坡表高陡区PGA放大系数最大,坡内PGA放大系数沿高程变化规律基本遵循高程效应。斜坡自振频率在0.2 g幅值输入波激励时下降显著,此时斜坡结构在地震作用下发生变化。斜坡破坏模式为:高陡区上部坡肩出现裂缝→裂缝区向下扩展→高陡区右上侧出现局部失稳破坏→失稳区扩大为整个高陡区域→高陡区岩体由上到下被震落同时伴随着部分下部薄岩块被震落,破坏过程中伴随着斜坡下半段轻微隆起。该试验揭示了薄厚岩组合型反倾岩体斜坡在地震作用下的动力响应规律和破坏机制,为此类斜坡的防治提供了依据。     

真三轴卸载–动力扰动下自然与饱水砂岩破坏特性试验研究EI北大核心CSCD

为探讨不同含水状态红砂岩试样在动静组合状态下的失稳破裂特征,采用QKX-YB200真三轴岩爆试验系统、声发射监测系统以及高速摄像仪对自然和饱水状态下的红砂岩立方体试样开展真三轴卸载–动力扰动试验。研究结果表明:在真三轴卸载–动力扰动条件下,自然状态砂岩破坏模式为张拉–剪切混合型破坏,而饱水状态砂岩的破坏模式为张拉型破坏,不同含水状态砂岩的裂纹扩展程度与初始轴向静应力和动力扰动频率密切相关;相比于饱水状态砂岩,自然状态砂岩试样在动力扰动阶段出现了不同程度的块片弹射和飞溅现象,体现为典型的应变型岩爆特征;轴向静应力以及动力扰动频率对于不同含水状态砂岩的力学响应特征具有显著的差异性,其对于自然状态砂岩的力学响应主要体现为岩样的破坏剧烈程度,而对于饱水状态砂岩的力学响应则主要体现为岩样的破碎程度;对含水砂岩试样建立了真三轴卸载–动力扰动下裂纹扩展模型,认为水楔效应、中间主应力效应以及开挖卸荷效应是诱发饱水砂岩产生张拉型破坏的本质原因;基于室内试验结果,从能量转化、力学、物理以及化学的角度初步揭示了真三轴卸载–动力扰动下水弱化岩爆机制。     

花岗岩高温高压损伤破裂细观机制模拟研究EI北大核心CSCD

为了探究花岗岩高温高压损伤破裂细观机制,使用颗粒流程序(PFC)中的晶粒模型(GBM)单元开展高温作用后花岗岩常规三轴压缩模拟,分析应力-应变曲线、强度特征及破裂模式随围压及温度演化,研究其破裂过程,研究结果表明:GBM模型可以反映晶粒间的嵌锁效应,较好地模拟花岗岩劈裂、三轴压缩过程以及真实的花岗岩拉压比和强度随围压非线性特征,一定程度上克服了圆形颗粒嵌锁力不足的问题。不同围压下试样峰值强度随温度升高总体呈现先基本不变后迅速下降的趋势,450℃为阈值温度。莫尔–库仑准则回归得到的内摩擦角及黏聚力随温度总体呈先增高后降低趋势,且花岗岩强度参数的变化与其受力结构密切相关。当石英发生α-β相变后(573℃),花岗岩内产生大量穿晶裂纹及晶粒边界裂纹。单轴压缩下,试样的破裂特征受到热裂纹控制,峰后呈延性破坏;而高围压下,剪切带穿过晶粒,导致试样峰后产生脆性破坏。     

基于广义Hoek-Brown准则的节理岩体力学参数折剪计算

节理化岩体力学参数是矿山工程地质和稳定性分析的重要基础数据,一般在实验室通过单轴、三轴试验只能得到岩石的力学参数,无法得到岩体的力学参数。目前,利用岩石力学参数确定岩体力学参数的方法较多,但都过于烦琐或准确度不高,急需一种新的简易确定方法。因此,通过利用基于广义Hoek-Brown准则的地质强度指标（GSI法）,并结合相应的岩土分析软件,强度折剪岩石力学参数值,从而得到岩体的力学参数。通过将该方法应用于赤峰中色白音诺尔矿业有限公司岩体力学参数的计算中,证明采用该方法考虑岩体的结构面和完整性,可较为准确地反映节理化岩体的力学特性,且方便可行,具有工程实用价值。?     

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明：随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°～30°)、沿层面的剪切破坏(45°～75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。     

基于钻孔图像的结构面分布分维数计算方法

在工程实践中,对岩体结构面分布的分维数进行实测往往存在一定的难度,但是采用钻孔摄像技术既能够准确获取布设的钻孔内各项地质信息,而且形成的钻孔图像能够直观地反映钻孔中岩体结构面的特征参数,因此提出了一种基于钻孔图像的岩体结构面分布分维数计算方法。该方法的原理是:首先,通过钻孔图像获取研究区域内各钻孔内的岩体结构面的特征参数(包括倾角、倾向、隙宽、间距);然后,根据各钻孔之间的连通判断准则,判断区域内各钻孔结构面的连通性,并估算出研究区域内结构面的迹长值,同时参照钻孔的孔位及深度信息,来界定研究区域模型的范围;最后,结合Monte-Carlo法,建立岩体结构面分布的三维网络模型,根据分维数计算方法,求解模型各研究面的分形维数,并将3个钻孔的整体连通模型和各钻孔模型所得到的分维数开展对比分析。结果表明,该方法的计算结果与其他评价方法的结论一致。     

基于应变率损伤本构模型的围岩分区破裂化现象数值模拟

为了探究深部巷道围岩的分区破裂化现象,利用ANSYS/LS-DYNA软件数值模拟,使用Cowper-Symonds本构模型结合GISSMO模型,将巷道的开挖视为动力过程。从岩石的细观角度出发,考虑岩石的应变率效应以及损伤对岩石的力学性质的影响,构建应变率损伤本构模型。同时结合应力三轴度,以更全面地描述岩石在各种应力条件下的力学特性,并基于最大应变和最大拉应力准则建立单元破坏准则。对岩石进行单轴压缩数值、掘进开挖法模拟及实际观测的结果表明:岩石单轴压缩全应力-应变曲线拟合效果较好;掘进开挖速率对分区破裂化现象有影响;掘进开挖法的分区破裂化模拟结果与实际观测数据具有一定的一致性。提出的模型对于围岩分区破裂化现场的模拟及预测有一定的参考意义。     

渗流应力作用下层理岩体稳定性数值分析

为研究渗流应力耦合作用下含倾角层理岩体的稳定性,基于岩体极限平衡状态方程,以30°层理白云岩为例,推导该层理岩体在渗流应力耦合作用下的稳定性判别式,通过等效连续介质模型和Louis经验公式,建立渗流应力耦合模型,并采用Midas GTS NX对该层理岩体进行渗流应力耦合作用稳定性分析,建立相应的数值试验。结果表明,所建立的渗流应力耦合模型分别对10和50 kN/m荷载作用下的层理岩体总水头、总位移、剪应变进行数值分析,模型的计算结果与判别式计算结果拟合度较好;判断了层理岩体的稳定性,可为类似研究提供相应的理论依据,具有一定工程应用价值。     

层状岩体横观各向同性劣化模型研究

层状岩体呈现出明显的横观各向同性力学特征,为此,将层状岩体视作层间岩石与层面组成的复合材料,分别就层间岩石力学性质建立相应的力学模型,并提出了劣化模型的弹模裂化极限取值统一限定条件。可考虑层状岩体强度及弹性模量在峰后随塑性应变增大而减小的现象,更能准确地模拟层状岩体洞室开挖的力学响应。在乌东德水电站陡倾层状岩体洞室的围岩开挖稳定性分析的应用中,计算结果与现场监测结果吻合,证明该模型适用性。