数值模拟软件在岩石力学教学过程中的运用——以颗粒流程序为例

岩石力学作为一门新兴的、与工程实践紧密相关的学科,是采矿、土木、水利、能源等专业的主干课程。基于传统岩石力学课程教学过程中存在的原理解释不清、学生对于难点理解困难等局限性,文章采用颗粒流数值模拟程序,以岩石力学中经典的直剪试验和三轴压缩试验为例,介绍如何采用数值模拟方法分析岩石破裂机理及裂纹的演化规律等传统岩石力学教学中学生不易理解的部分。不仅帮助学生在学习过程中对于岩石力学中的重难点有更好的理解,拓展学生创新思维,还帮助教师对岩石的破坏机理进行阐述,提高教学效果。

岩石随机孔隙结构的三维重构模型与细观渗流分析

将多孔岩石介质的孔隙视为具有毫米量级的随机细观结构,重构岩石三维随机孔隙结构模型,在细观力学的层面上研究孔隙结构对多孔岩石渗流的影响。引入微管渗流模型,利用统计学原理和FLAC3D软件研究多孔岩石介质随机孔隙结构的重构技术和细观渗流数值模拟方法。研究结果表明:多孔岩石孔隙率越大,流体由非稳定流过渡到稳定流的时间愈短,渗透系数和孔隙率具精度很高的线性关系,岩石介质透水性的孔隙率阈值nλ=4.05%,峰前多孔岩石介质的渗透系数主要受体积应力控制,且两者之间具有负指数关系。重构毫米量级的孔隙结构单元,其数值稳定性可以得到保证。

岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。

随机卸荷岩体裂纹流变断裂模型与数值模拟

针对卸荷裂纹发生的随机性,发生时间的滞后性特点,采用岩石断裂力学和流变力学,结合Monte-Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究随机卸荷裂纹扩展的时效特性,建立随机卸荷岩体裂纹流变断裂模型及数值方法,并提出卸荷岩体裂纹止裂判据。以最小应力σ3卸荷为例,探索不同卸荷条件下,随机卸荷裂纹的萌生、流变扩展规律。研究结果表明:随着最小应力σ3的卸荷,岩体裂纹瞬态扩展和流变扩展都增强;最小主应力接近0 MPa时,对最小主应力较小的扰动变化,将导致卸荷裂纹的成倍增加。卸荷岩体裂纹的流变断裂与岩石流变过程相似,呈现出衰减流变阶段和定常流变阶段2个阶段。随机卸荷岩体裂纹流变断裂模型合理地解释了岩体裂纹的延迟起裂、流变扩展和止裂,为研究卸荷岩体变形损伤特性提供了细观层面上的理论依据。

不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究

利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下茅口灰岩三轴压缩试验,通过计算绘得相应裂隙体积应变图,分析得出裂纹起始应力、裂纹破坏应力。结果表明：随着围压的增大,应力门槛值均呈非线性增长态势,当围压超过17 MPa时,裂纹起始应力、裂纹破坏应力分别增加48.5%和20.1%,茅口灰岩延性开始增强;裂纹破坏应力为峰值强度的64%~75%,三轴压缩下茅口灰岩裂隙不稳定发展阶段较长;环向应变值随围压增大而增大,当轴力超过裂纹破坏应力进入裂隙不稳定发展阶段,环向应变增大2.7~3.2倍,用环向-轴向应力应变曲线图能较好的反映岩石应力门槛值。

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度(节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22)的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。

基于塑性扩张的岩石变参数蠕变损伤模型与工程应用

为研究岩石蠕变损伤过程与围岩塑性区扩展之间的内在联系,建立基于塑性扩张的变参数蠕变损伤模型（BNMC模型）,该模型认为岩石塑性屈服面随蠕变时间动态变化,在σ-τ空间内,强度包络线随蠕变时间的增加而逐渐内移。采用线性插值法对该模型各蠕变参数进行处理,获得任意连续偏应力水平对应的蠕变模型参数,从而实现BNMC模型的数值化。采用该模型对金川二矿区-1 098 m水平中段下盘运输巷的蠕变变形进行数值模拟,对比研究未支护裸巷和喷锚支护巷道的蠕变变形规律。研究发现,未支护裸巷围岩塑性区边界不是一成不变的,而是随时间的发展,塑性区边界逐渐向外扩张,围岩承载力逐渐下降,从而导致围岩加速蠕变显现,巷道蠕变失稳;通过对喷锚支护巷道的蠕变数值模拟结果和多点位移计实测结果的对比,发现数值模拟曲线与实测曲线在走势上基本吻合,但在量值上实测蠕变位移值要略大于数值模拟结果;由于支护与围岩的相互作用,支护在一定程度上改变了围岩的偏应力状态和位移,阻止了围岩塑性区边界扩张,喷锚支护巷道在0-200 d的蠕变计算时段内,未呈现出加速蠕变性态。

面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革

传统岩石力学试验教学环节存在诸多弊端,如全是单一的验证性试验,没有引入计算机模拟技术,没有考虑学生的差异性等等。通过对岩石力学试验项目进行优化组合,引入差异性教学法,实现面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革。将岩石力学试验教学分为三个模块:模块1为岩石力学参数试验,包括单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验、剪切强度试验、点载荷试验4个试验;模块2为创新试验,包括单轴压缩条件下多裂隙试件的变形破坏试验和锯齿状粗糙结构面的剪切试验;模块3为岩石力学的数值模拟演示,主要演示圆盘形试件的巴西劈裂法。积极引导学生完成基本试验(模块1),支持学有余力的学生开展创新性试验(模块2),通过模块3来提高学生的岩石力学分析能力。

巴西劈裂试验对岩石抗拉强度影响因素研究

在巴西劈裂试验中选用最基本的垫条加载的加载方式条件下,对不同厚径比的茅口灰岩岩石试件采用不同的加载速率进行巴西圆盘劈裂试验.通过试验数据分析发现,在相同的厚径比下,随加载速率的提高,岩石的抗拉强度小幅增加;当采用相同的加载速率时,茅口灰岩抗拉强度均随厚径比的增加而减小,存在一定的尺寸效应.运用FLAC3D数值分析软件,针对垫条加载进行了不同厚径比及加载速率的巴西劈裂数值模拟试验,结果表明水平拉应力最大值位于圆盘轴线上端面中心点,即圆盘开始起裂的位置位于端面中心点附近.随着加载速率增加,圆盘端面中心点等效应力增大;随着厚径比增加,圆盘端面中心点等效应力减小.最后提出了在垫条加载下抗拉强度的修正公式,消除厚径比及加载速率对岩石抗拉强度的影响,并验证了修正公式的有效性.

三轴压缩下茅口灰岩围压效应的试验研究

针对南方广泛存在的茅口灰岩,利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下三轴压缩试验,通过拟合分析,结果表明:(1)三轴抗压强度随着围压的增大,且呈线性增长;低围压条件下,茅口灰岩弹性模量随围压增大而增大,围压超过17 MPa,弹性模量趋于稳定;泊松比随围压增加成二次非线性增长趋势.(2)低围压条件下,岩样扩容率较小时即发生脆性破坏,体积应变扩容率随着围压的增大而提高;围压为12 MPa,岩样由脆性向延性转化,围压加至17 MPa,岩样表现为延性流动.3)随着围压的逐渐增加,岩样破坏方式趋于简单,由侧向剪切破坏逐渐转为对角剪切破坏,破坏角增大.

裂隙茅口灰岩水力学特性试验研究

利用MTS815多功能岩石力学试验机对茅口灰岩进行一系列不同轴压和围压下的渗流试验.试验结果表明:茅口灰岩裂隙流与Darcy流存在一定差异,表现出非线性时变性即非Darcy流;随着应变的增加,岩石渗透率刚开始下降较快,后期下降较慢.采用Origin专业绘图软件对Darcy流与非Darcy流渗透率数据进行拟合分析发现,幂函数能够很好的拟合二者之间的关系,并提出了可靠又简便的茅口灰岩非Darcy流渗透率计算公式.

影响边坡稳定性因素数值研究

为综合研究内摩擦角和内聚力2个因素对边坡安全系数的影响规律,利用控制变量法原则开展了一系列数值试验,数值试验表明:岩石内聚力较小时,边坡安全系数也较小,同时变化不大,当内聚力增大时,边坡安全系数也相应增大且与内聚力呈现三次函数关系;内摩擦角对边坡安全系数的影响类似于内聚力对边坡安全系数的影响,利用后处理软件Tecplot对数据进行进一步处理可知:内摩擦角越小边坡的滑动面越表现深层滑动,当内摩擦角增大时,边坡的滑动面由深层滑动转为浅层滑动.

改性脲醛树脂注浆材料配比及单轴压缩实验研究

凝胶时间的合理控制可提高化学注浆效果,减少浆液浪费.本文主要研究不同配比对于凝胶时间、终凝时间及单轴抗压强度的影响.结果表明,当草酸含量在1.45%~29.86%时,静止条件下,改性脲醛树脂浆液凝胶时间介于53 s^1 h,终凝时间介于7 min^3 h,且凝胶时间、终凝时间随着草酸含量的增加呈递减趋势.凝固后的注浆体打磨成规格为直径×长度=45 mm×100 mm的试件,然后在RYL-600剪切流变仪上测试不同配比下的单轴抗压强度.结果显示草酸含量越高时,注浆体试件在低应力下发生的形变越大,试件的单轴抗压强度随着草酸含量的增加而减小,介于3.23~25.16 MPa之间.

渗透压作用下茅口灰岩强度特性

矿山岩体受力复杂,且常处于渗流场中.本文以渗透压作用下茅口灰岩强度试验为基础,研究了不同围压渗透压作用下茅口灰岩的强度特性,分析了渗透压对岩石峰值强度、起裂强度和损伤强度影响,通过引用孔压弱化系数,提出考虑考虑渗透水压影响的非线性强度准则,并对新准则和其他强度准则进行比较分析,验证了新准则的科学性与合理性.

裂隙煤体渗流力学特性试验研究

煤体裂隙的存在会严重影响其渗流特性.基于裂隙中的水流运动规律,通过施加平行于裂隙面和垂直于裂隙面2种应力不同方向来研究不同荷载方向和大小对含裂隙煤体渗流特性的影响.试验结果表明:(1)当应力方向垂直于裂隙面即时,试样渗透系数会随着应力的增大而减少,且加载初期下降速率较快,之后下降速率逐渐减少,渗透系数与法向有效应力呈负指数关系.(2)当应力方向平行裂隙面时,由于试样的有效水力隙宽增大,阻碍流体流过的能力降低,因此渗透系数会相应的增大,且渗透系数与侧向有效应力呈指数关系.在试验的基础上利用专业绘图软件绘图并对2类数据拟合所建立的负指数和指数关系式能很好的反应渗透系数与有效应力的关系.

循环加卸载下大理岩损伤与能量演化特征

基于常规三轴循环加卸载压缩试验,分析了大理岩压缩变形过程中的变形特征、能量耗散及损伤演化规律。基于试验结果进行了大理岩弹塑性应变分离,试验结果表明随着轴向偏应力的增加,大理岩轴向弹性应变近似呈线性增加,而侧向弹性应变呈非线性增长。基于变泊松比的假定,建立了大理岩非线性弹性应力-应变本构关系,并据此分离辨识得到大理岩轴向和侧向塑性应变。采用等效应变理论,定义了大理岩损伤变量D,相应得到了大理岩三轴压缩变形破坏过程中的损伤演化特征,根据岩石损伤演化曲线可将大理岩三轴压缩变形过程分为3个阶段;分析了大理岩三轴压缩变形过程中的应变能特征,计算得到了大理岩压缩变形过程中的弹性应变能及耗散能,结果表明大理岩岩体单元耗散能与损伤变量增量ΔD之间呈较好的线性关系,二者均可用于描述大理岩压缩变形过程中的损伤破坏特征。

护盾式TBM穿越断层破碎带岩机相互作用三维数值模拟研究

护盾式TBM掘进穿越断层破碎带时,围岩收敛变形过大易引起TBM卡机。文章以某输水隧洞工程为背景,采用FLAC3D进行数值模拟研究,探究TBM在穿越断层破碎带时机身所受摩阻力的变化特征,分析超前支护强度及超挖间隙等因素对护盾式TBM机身受力及卡机风险的影响规律。研究结果表明,护盾式TBM机身在软弱破碎地层中所受摩阻力是TBM掘进穿过该区域时卡机灾害发生的关键控制因素。机身处于断层破碎带时,护盾处围岩径向相对收敛变形达到0.16 m,超过预留变形,护盾所受的挤压力及前进摩阻力较高,护盾所受最大摩阻力约为108.71 MN。施加锚杆后洞周最大收敛位移减小了17.06%左右,说明锚杆支护作用对断层破碎带处洞周围岩变形影响显著。

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC＋＋编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。

全应力–应变过程中裂隙灰岩的水–力耦合特性试验研究

为研究裂隙灰岩在全应力–应变过程中的力学特性和渗透性特点,对裂隙灰岩进行不同渗透压和围压组合下的水–力耦合试验,研究水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度和变形特性,并定义全应力–应变过程中6个关键的渗透率值。试验结果表明:渗透压对裂隙灰岩的力学特性有较大影响,渗透压的存在降低了裂隙灰岩的强度和变形模量,加剧其侧向变形,水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度特性可用莫尔–库仑屈服准则来表征;全应力–应变过程中,裂隙灰岩渗透率经历缓慢下降–缓慢增加–快速增长–小幅度下降4个阶段,这大致对应于全应力–应变过程中体积压缩阶段,近线性变形阶段,峰值点附近的破裂阶段和峰后残余强度阶段。在较低渗透压(2 MPa左右)下,上述相应关系吻合情况良好,而在较高渗透压(8 MPa以上)下,上述相应吻合关系存在偏差,渗透率下降阶段要短于体积压缩阶段;在较低渗透压(2 MPa左右)下体积压缩阶段的渗透率与体积应变之间的关系可用负指数函数来描述,而在较高渗透压(8 MPa以上)作用下,在体积压缩阶段的渗透率和体积应变之间的关系可用三次多项式来描述。

常规三轴压缩条件下茅口灰岩流固耦合破坏行为研究

采用瞬态法在MTS815岩石力学试验机上进行常规三轴压缩条件下岩石渗透性试验,得到不同围压,不同孔隙水压下茅口灰岩的全应力-应变曲线与渗透压差ΔP的变化曲线,根据试验曲线,分析全应力-应变下茅口灰岩的渗流、强度以及破坏特征。研究表明,岩石在全应力-应变过程中渗透压差ΔP表现为初始下降阶段I,缓慢变化阶段II,非稳定下降阶段III和急剧下降阶段IV共4个阶段,这4个阶段可预测出岩石在全应力-应变过程中渗透率先降低后增加,并在峰值时急剧上升的规律;分别研究了孔隙水压和围压对岩石的峰值强度与变形特性的影响,得到随围压或有效围压的增加,岩石的峰值强度、弹性模量均会增大,但岩石泊松比呈下降趋势的规律,而孔隙水压对岩石峰值强度、弹性模量和泊松比的作用与围压的作用相反。