恒定法向刚度条件下加锚充填节理岩体剪切特性研究

深部岩体节理往往存在不同程度的软弱充填物质,导致岩体力学性质更为复杂。开展恒定法向刚度CNS边界条件下,考虑高初始法向应力及不同节理粗糙系数JRC−充填度△组合模式的加锚充填节理岩体剪切试验,结合微观电镜扫描(scanning electron microscope,简称SEM)分析充填节理部分宏微观结构演变特征,推导CNS边界条件下峰值剪胀角相关计算方法。研究结果表明:当△<0.5,试件剪应力强度呈现应力硬化;当1.0<△≤1.5,剪应力强度由基本恒定演化为应力软化。当△小于临界充填度△_(cr),JRC成为峰值抗剪强度主要影响因素。△在节理法向变形中起到控制作用,随着△的增加,出现剪胀、先剪胀后剪缩、剪缩3种演化规律,JRC则影响着试件剪胀−剪缩变化程度。充填节理部分破坏模式随着△的增加主要经历3个阶段:粗糙点磨平、充填物质摩擦、充填物质磨碎。微观角度下由疏松多孔结构形式演化为散体碎屑状结构形式。受挤压破碎区与挤压应力集中区二者的相互演化机制影响,锚杆剪切变形模式逐渐由△=0的“近似”拉剪变形向△=1.5的拉弯变形模式演变。在此基础上,提出了一种CNS边界条件下加锚充填节理岩体峰值剪胀角的计算公式,并进行了试验验证及边界条件影响参数敏感性分析。

基于改进粒子群与神经网络的机械结合面法向刚度建模

为了提高机械结合面法向接触刚度预测精度,提出一种改进粒子群优化算法,并用改进粒子群算法优化BP神经网络的参数组合,实现了粒子群和BP神经网络相结合的算法模型。将影响结合面法向接触刚度的因素进行了特征分析和定量化描述,并用该算法进行法向接触刚度预测和相对误差分析。计算结果表明,计算准确度可达92%,实现了多种影响因素组合下的机械结合面法向接触刚度的建模。

两圆柱体结合面法向刚度分形预估模型及其仿真分析

对M-B分形模型进行了修正,分析了微凸体弹性、弹塑性、塑性各阶段的变形性质。从宏观和微观相结合的角度,建立了考虑摩擦因素的两圆柱体结合面法向刚度分形预估模型,该模型具有几何特性和尺度独立性,在一定程度上完善了结合面动力学参数的分形模型。通过仿真分析揭示了实际接触面积、法向载荷和摩擦因数对圆柱体结合面法向刚度的影响。仿真结果表明:两圆柱体结合面法向刚度随着实际接触面积的增大而增大,且在较大分形维数时增大速率较快;随着法向载荷的增大而增大;随着摩擦因数的增大而持续减小,当摩擦因数小于0.3时,法向刚度随摩擦因数的增大呈线性衰减,当摩擦因数大于0.3时,法向刚度随摩擦因数的增大呈指数衰减规律。

接触界面法向刚度等效的新方法

采用典型的粗糙体——刚性面接触模型,针对弹性和弹塑性两种材料,对比分析目前常用的一般接触界面法向刚度等效方法的准确性,说明其在处理弹塑性材料时存在较大误差,而不能完全计入塑性影响是造成此问题的本质原因。通过将整个弹塑性接触系统等效成一个包含全部塑性区域的界面接触层和一个无界面块体,虽然可以计入此种影响,实现和原系统的准确动力等效,但有厚度接触层的引入也将同时带来了单元划分过多、工程实用不便的问题。为此将接触层刚度进一步分离,最终给出一种法向接触刚度等效的新方法。该方法将接触系统等效为无厚度均质弹簧和一个原系统等大小的无界面弹塑性块体,这样不仅能够实现系统动力行为的完全等效,而且可完全计入接触体塑性区域的影响。同时新的等效方法和塑性区域厚度无关,从而避免对原系统网格划分的不便,典型算例的结果说明了新方法的准确性和有效性。

考虑结合面法向刚度的拉杆转子轴向振动特性

针对接触刚度解析模型参数确定困难、精度难以保证等问题,提出了根据弹塑性粗糙表面微体单元受力变形的有限元分析结果确定轮盘结合面法向刚度的方法;为准确获取拉杆转子的轴向振动特性,建立了考虑轮盘结合面法向刚度的集中质量动力学模型;运用上述方法和模型计算了某型实验转子轴向振动的固有频率,并将结果与实测数据进行对比,误差低于5%,证明了该方法的有效性;改变拉杆预紧力,进一步研究预紧力对拉杆转子动力学行为的影响,结果表明:拉杆预紧力对转子的作用效果存在一个饱和区域,可为拉杆预紧力数值的确定提供重要的设计依据。

基于频响函数的螺栓结合部法向刚度辨识与实验研究

机械结合部对于高速卧式加工中心的动态性能有着重要的影响,结合部动力学参数的正确辨识是建立其准确动力学模型的前提。为准确获取螺栓接合部的法向刚度,采用理论推导与现场实验相结合的方式,基于频响函数法对结合部动力学参数的辨识与等效方法进行研究;定义了实验数据灵敏度的计算方法,并通过灵敏度实现了对实验数据的筛选,提取了有利数据和抑制了不利数据;在此基础上,构建包含辨识公式的矛盾方程,并基于最小二乘思想求得方程的确定解,获得了结合部动力学的等效参数。最后,通过LMS噪声、振动测试系统进行实验,实验结果表明:本方法可有效提高结合部动力学参数的辨识和等效精度。

恒定法向刚度边界下含陶粒砂砂岩裂隙剪切力学特性研究

含支撑剂砂岩裂隙的剪切行为对致密气开采具有重要影响。通过开展不同边界条件下两种粗糙砂岩剪切试验,探究法向应力(1~6 MPa),法向刚度(0~5 GPa/m),初始法向应力(2~6 MPa),支撑剂尺寸(16/30目,20/40目,30/50目)对含陶粒砂砂岩裂隙剪切特性的影响。结果表明:加入陶粒砂后,裂隙面的峰值摩擦角减小,剪切刚度及峰值剪应力降低,并且剪缩量增加,剪胀量减小;随着法向应力的增加,剪切强度提高。在恒定法向刚度(CNS)边界下,随着法向刚度的增加,残余剪应力提高,但峰值剪应力、最终剪胀量和表观摩擦角降低。随着初始法向应力增加,峰值剪应力、残余剪应力及剪切刚度均提高,且变化幅度高于法向刚度的影响;初始法向应力的增加抑制了裂隙面的剪胀,提高了裂隙面的表观摩擦角。随着陶粒砂尺寸的减小,剪切强度提高,剪胀位移增加。

法向刚度对土与结构接触面三维特性影响的试验研究

运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。

常法向刚度条件下岩石节理剪切-渗流特性试验研究

为研究常刚度(CNS)边界条件下节理的剪切-渗流耦合特性,针对3种不同节理粗糙度的复制节理试样进行了3种不同刚度、3种不同渗透水压力条件下的剪切-渗流试验,全面系统地分析了法向刚度、渗透水压和节理粗糙度等因素对节理剪切过程中力学特性和渗流特性的影响。试验结果表明:节理峰值剪切强度随法向刚度的增加而增加,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而减小;节理峰值剪切强度和法向位移均随渗透水压的增大而减小,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而增加;通过节理面的流量随节理粗糙度的增加而减小。剪切过程中流量、等效水力开度和透过率均呈现类似于节理剪胀的三阶段变化规律:快速增长阶段、增速变缓阶段和稳定阶段;稳定阶段流量随法向刚度和渗透水压的变化近似呈线性关系,随着渗透水压的增加,粗糙程度较高的节理流速较慢。

包含几何误差的机械结合面法向刚度研究

对包含几何误差的机械结合面进行离散化,离散后的微表面的基准平面高度满足结合面几何误差分布。每个微表面内,微凸体的高度只受粗糙度的影响。基于接触理论建立了微表面的法向刚度模型,通过对微表面模型集成获得了结合面的法向刚度模型。通过对所建模型的数值仿真,揭示了结合面法向刚度与间隙的非线性关系,几何误差的幅值和波长对法向刚度的影响以及非线性刚度对结合面振动特性的影响。计算结果表明:法向刚度随着间隙的减少而迅速增加,几何误差会导致结合面宏观上的局部接触和应力集中;在相同干涉量下,法向刚度随着几何误差幅值的增加而增加,但与结合面的波长没有关系;非线性刚度会导致结合面固有频率的下降和振动位移的不对称。

单裂隙水流对岩体裂隙法向刚度的影响研究

岩体边坡工程与地下工程稳定性主要依赖岩体中的节理、裂隙、软弱夹层等结构面的力学性态。基于岩体低渗透性与结构面导水性,采用广义双重介质模型,对孔隙空间建立非饱和渗流HM耦合方程。对饱水/干燥裂隙空间建立裂隙受压体积变化的HM耦合方程。通过考虑孔隙和裂隙界面处压力连续,实现两处模型在应力边界上的耦合。对开口裂隙、封闭裂隙、半开半闭裂隙岩体的非饱和渗流过程进行了数值模拟计算。由计算结果得知:裂隙的闭合程度影响裂隙水向孔隙消散,从而影响裂隙刚度;在正应力作用下,裂隙受压逐渐分段闭合,由于裂隙的不同位置具有不同的刚度特征,整条裂隙不具同步性,甚至由于裂隙面性质不同,刚度变化甚至出现反复性。

常法向刚度条件下人工结构面剪切力学特性及损伤演化规律试验研究

为研究起伏角和法向刚度对结构面剪切力学特性的影响,利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验系统,开展了常法向刚度(CNS)条件下人工结构面的直剪试验。结果表明:当起伏角为15°和30°时,剪切应力呈现周期性震荡衰减趋势,在剪切结束时,随着法向刚度的增加,峰值剪切应力的降低量分别是1.78、1.42、1.36和1.27 MPa,逐渐减小。当起伏角为45°时,在剪切应力达到峰值后逐渐趋于残余强度;法向位移演化和剪切应力具有一一对应关系。随着起伏角的增加,剪切刚度逐渐增加。随着法向刚度的增加,起伏角15°和45°结构面的峰值剪切应力基本上线性增加;当起伏角为30°时,峰值剪切应力呈现出分段函数的特征,但是峰值剪胀角却逐渐降低。通过分析剪切前后结构面的质量损失、碎屑粒径占比和三维形貌参数演化得到结构面的破坏模式,当起伏角为15°和45°时,破坏模式较为单一,分别为磨损破坏和切齿破坏;当起伏角为30°时,其破坏模式对试验条件的依赖性较强较为复杂,主要为齿尖剪断破坏和全切齿破坏。通过将结构面三维空间点云数据和对应剪切位移处的法向位移值相结合的方法,得到特定剪切位移处的结构面隙宽演化云图,从而分析结构面在剪切过程中的动态演化过程,得到其破坏机理。

化学腐蚀下节理花岗岩法向刚度演变规律试验研究

通过开展侧限条件下完整试样及不吻合节理试样法向荷载压缩试验,研究了节理花岗岩法向应力及法向闭合的变化特征,揭示了不同化学溶液酸碱值pH(1、3、7、12)和不同腐蚀时间t(10、30、100 d)条件下含不同初始开度b的节理试样法向刚度演变规律。试验结果表明:不吻合节理试样的应力随应变变化特征不同于完整试样及吻合节理试样,由于节理表面微凸体的崩解,在应力-应变曲线整体增长过程中产生了局部应力降现象。不吻合节理法向闭合曲线呈现非线性的特点,法向位移增加速率随法向应力先增大后减小;相同法向应力下,试样法向位移及节理闭合速率随初始开度的增大而变大。通过引入经典节理闭合模型,分析得出节理试样法向刚度同时受初始开度、pH值及腐蚀天数的影响,其中受初始开度的大小影响最为明显。当pH=1、t=10 d时,法向位移从1~3 mm,b=1.65 mm的试样法向应力较b=3.4 mm的试样提高46.26%~149.46%;节理法向应力及刚度随着酸性溶液pH值的减小而减小;随腐蚀时间增加,不同化学溶液下的部分节理法向刚度先减小后增大。

考虑法向刚度影响的钙质砂-钢界面剪切试验研究

海洋环境中沉积的钙质砂与常规陆源砂的物理力学性质差异显著。本文基于自主研发的多功能界面剪切设备,开展了一系列砂-钢界面剪切试验,着重分析了法向刚度、砂土类型对砂-钢界面单向剪切行为的影响,并进行了不同法向刚度下的钙质砂-钢界面循环剪切试验。试验结果表明,界面表观黏聚力c、摩擦角δ随法向刚度K的增加分别表现出增加、减小的趋势;与石英砂相比,钙质砂形状更加不规则,颗粒咬合效应明显,钙质砂-钢界面摩擦角、表观黏聚力均高于石英砂-钢界面;石英砂-钢界面表现出明显的剪缩,而钙质砂-钢界面多表现为剪胀。法向刚度K主要通过影响竖向应力进而影响钙质砂-钢界面剪切行为。法向刚度越大,法向应力随循环次数衰减越快,界面强度弱化越显著。本文研究厘清了法向刚度对钙质砂-钢界面剪切特性的影响机制,可为南海岛礁地层基础设计提供必要的参考。

势接触法中法向刚度系数取值研究及岩层运动过程模拟

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向刚度系数正确取值,势接触力才更可靠。为了模拟时间较长的开采过程和解决煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了准静力模式和应力跌落方法。为了有助于正确选择适于模拟岩层相互作用的法向刚度系数,首先对其进行了标定,以考察嵌入引起的误差的影响。然后设计了4组(上相对较软-下相对较硬、两相对较软、上相对较硬-下相对较软和两相对较硬)两岩块撞击-平衡过程的数值试验,并以其中一组为例进行了重点分析。通过考察两岩块的嵌入量和上岩块下表面的平均应力的演化以及上块从运动到平衡的时长,最终得到了具有普适性的结果,即法向刚度系数与弹性模量的比值为15 m^(-1)时较为适当。为了检验上述建议值是否适于模拟采场岩层运动,以某煤矿1141工作面为例进行了计算。研究发现,在法向刚度系数取为建议值时,计算结果较为合理,且计算效率较高。

恒定法向刚度边界条件下岩石节理剪胀特性数值模拟

恒定法向刚度边界条件下的节理剪胀特性对于深部地下工程岩体稳定性至关重要。利用UDEC软件,基于连续屈服微段节理模型,构建恒定法向刚度边界条件下岩石节理剪切离散元计算模型,探讨恒定法向刚度边界条件下岩石节理的剪胀效应。结果表明:岩石节理剪胀段的剪胀位移呈负指数增长;岩石节理的最大剪胀位移与最大起伏高度呈正相关关系,与初始法向应力和法向刚度呈负相关关系;岩石节理剪胀收敛速率随着初始法向应力和法向刚度的增大而增大;通过对岩石节理的宏观剪胀数值曲线的分析,提出适用于恒定法向刚度边界条件的考虑节理的最大起伏高度、凸起体倾角、法向刚度和初始法向应力的岩石节理非线性剪胀模型,通过剪胀理论曲线和数值试验曲线的对比,表明该模型具有较好的普适性。

不同温度下裂隙花岗岩法向刚度演变规律的试验研究

本文研究了不同温度下裂隙花岗岩试样的法向刚度演变规律,并系统阐述了裂隙岩体法向闭合过程中法向位移(δn)、初始开度(b)、温度(T)及饱和状态对试样法向刚度演变规律的影响。试验结果表明,随着法向位移的增加,法向刚度的变化速率逐渐增大,呈现出二次函数关系。当法向位移相同时,初始开度较大试样法向刚度相对较小。对于不同初始开度的试样,当旋转角度(α)为20°且δ_(n)=1 mm时,饱和试样的刚度随着温度的升高(从25℃到600℃)而降低48.18%。当T=25℃且α=20°时,干燥和饱和试件刚度分别为27.31×10^(3)MPa/m和19.32×10^(3)MPa/m。提出了两个经验模型来预测干燥与饱和状态下裂隙花岗岩试样在不同温度、初始开度和法向应变等参数下的法向刚度变化规律,预测结果与实验结果吻合良好。

恒定法向刚度条件下吸能锚杆锚固节理岩体剪切特性试验研究

为研究深部岩体工程即恒定法向刚度(CNS)边界条件下吸能锚杆的锚固效果及锚固节理抗剪性能,开展CNS边界条件下吸能锚杆锚固类岩石节理的剪切试验,探究节理面粗糙度(JRC)及锚固深度(h)对类岩石节理剪切应力(τ)、法向位移(δ_(n))、法向应力(σ_(n))、节理面破坏特征、锚杆变形特征的影响规律。结果表明:吸能锚杆可有效提高深部岩体锚固节理的屈服强度及剪切强度,且其提高幅度随着JRC的增大呈现出逐渐增加的趋势,其剪切应力在弹性阶段后产生应力硬化现象。而节理面剪切磨损面积占比随JRC的增加逐渐增大,锚杆的施加使其上涨了20.88%~109.21%。随着锚固深度的增加,节理面的剪切应力、法向位移、法向应力和剪切磨损面积占比均呈现出先增大后减小的趋势,当锚固深度为80 mm时各项指标参数最优,此时锚杆塑性变形段的锚固作用可充分发挥。研究成果为深部节理岩体支护作业的减能增效提供了重要理论支撑。

恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切力学特性

通过开展恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切试验,揭示法向刚度(0~7GPa/m)和循环剪切次数(1~10次)对节理面剪切应力、法向变形、法向应力、剪切应力路径、表面阻力指数、声发射响应和表面磨损特征的影响。试验结果表明:剪切应力-剪切位移路径具有典型的刚度依赖特征,当法向刚度较小时,剪切应力在初始峰值之后逐渐减小,呈现应力软化行为;随着法向刚度的增加,法向位移增加幅度逐渐减小,而由剪切引起的剪切应力与法向应力增加幅度均逐渐变大,呈现应力硬化特征。当循环次数=1时,随着法向刚度由3GPa/m增加至7GPa/m,节理面表观黏聚力和表观内摩擦角分别增加了22.40%和26.84%,而表面阻力指数基本保持稳定。随着循环次数的增加,初始剪切应力峰值逐渐降低,且降低幅度逐渐变缓并最终趋于稳定,其中在循环次数从1增加到2时,初始剪切应力峰值降低幅度最大(24.93%~60.91%);循环剪切过程中,由于节理表面凸起被磨损剪断并趋于光滑,剪胀变形及法向应力增加幅度均逐渐降低;当剪切位移较大时,与法向应力相比,剪切应力增加幅度衰减更为敏感,表面阻力指数逐渐增加。累积声发射能量随着循环次数的增加逐渐减小,而随着法向刚度从0.5 GPa/m增加至7 GPa/m,稳定阶段累积声发射能量增加了229.8%,剪切磨损面积占比增加了72.02%~97.11%。

恒定法向刚度边界条件下锚固节理岩体剪切特性试验研究

锚固节理岩体的剪切特性对于岩体工程稳定性控制设计至关重要。开展一系列不同恒定法向刚度(CNS)边界条件下锚固和无锚固类岩石材料粗糙节理剪切试验,研究CNS边界条件对锚固节理剪切力学特性以及节理面剪切破坏、锚杆剪切变形破断和锚杆破断剪切位移特征的影响。结果表明:峰前阶段法向刚度对剪切应力第一峰值Tp的影响不明显;峰后阶段剪切应力–剪切位移曲线在法向刚度小于3 GPa/m时呈位移软化特征、等于3 GPa/m时趋近于水平、等于5GPa/m时呈位移硬化特征,随着法向刚度的增加锚杆破断剪切应力Tf会显著提高;锚杆破断后阶段剪切应力–剪切位移曲线呈台阶式下沉。锚固节理的Tp和Tf都高于无锚固节理,法向刚度超过3GPa/m后锚固作用可抵消因节理面磨损导致的剪切强度损失。剪切应力第一峰值提升的剪切强度T1随法向刚度和JRC的增大呈增大趋势,而锚杆破断提升剪切强度T2随法向刚度增大呈减小趋势、随JRC增大呈增大趋势。节理面的破坏范围随法向刚度增大而增大,锚杆孔壁椭圆形破坏范围随法向刚度增大而减小。锚杆剪切后呈现"Z"字型变形特征,随法向刚度增加锚杆破断形式由拉伸破坏到弯曲破坏再到剪切破坏转换。锚杆破断剪切位移在法向刚度为0~1 GPa/m阶段呈增大趋势,1~5 GPa/m阶段呈持续减小趋势。