循环载荷对岩石节理宏细观剪切特性影响的模拟研究

岩石节理在循环载荷作用下会不断的滑移和闭合,导致其承载性能不断劣化,进而影响岩体工程的稳定性。为探明循环载荷作用下节理的剪切特性,首先开展了节理剪切试验以标定模拟中的物理力学参数和确定循环载荷的特征参数,然后采用基于FISH语言二次开发的循环剪切加载实现方法,进行了不同加载幅值(1.5、1.7、1.9、2.1和2.3 MPa)、不同加载频率(0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 Hz)等循环剪切载荷作用下的粗糙节理剪切数值模拟,研究了岩石节理的宏细观剪切特性以及循环载荷特征参数对节理剪切特性的影响。结果表明:随着剪切载荷的循环加卸,节理表面损伤会导致节理剪切应力-剪切位移曲线出现滞回效应。循环剪切初期滞回环较小且分布密集,后期滞回环较大且分布疏松。剪切过程中节理的裂纹分布和接触力分布与节理表面的粗糙体相关,剪切初期裂纹和高接触力大都集中在二阶凸起上,随着二阶凸起破坏逐渐作用到一阶凸起上,一阶凸起破坏后节理发生失稳破坏。节理剪切位移的增长趋势与累计裂纹数量的增长趋势总体一致。剪切初期仅有少量裂纹在应力峰值附近产生,而后期裂纹产生时对应的应力范围和裂纹数量都显著增加。加载幅值越大,每个循环内产生的节理损伤越多,节理剪切位移也越大,达到相同目标位移所需的循环次数与加载幅值成反比。加载频率越大,每个循环内节理产生的损伤越少,节理剪切位移也越小,达到目标剪切位移所经历的循环次数与加载频率成正比。加载频率越低,加速阶段越短,节理发生失稳破坏越突然。

基于Pile单元改进模型的锚杆锚固角度效应数值模拟研究

为探究锚杆在不同锚固角度下的受力特征和作用机制,采用Pile单元改进模型建立具有不同锚固角度的锚固结构面数值模型,并开展一系列的单轴压缩数值试验,对锚杆的锚固角度效应进行了系统研究。结果表明:当锚固角较大时,锚固结构面试件加载过程分为4个阶段,而当锚固角较小时仅为3个阶段;随着锚固角的增加,峰值应力整体上先恒定后减小,弹性模量呈非线性降低;锚杆与试件力的相互作用主要分布在结构面与锚杆相交处以及锚杆两端;锚杆的显著变形和受力主要分布在结构面附近,大致为锚杆直径的3~4倍;随着锚固角的增大,锚杆轴力的贡献呈非线性减小,锚杆剪力的贡献呈线性增大,锚杆抗剪力呈非线性减小。

剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础。首先,通过FISH语言修正了FLAC^(3D)软件自带的INTERFACE本构模型,使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为;然后,采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究,分析了法向应力和结构面粗糙度系数(JRC)对接触特征的影响规律;最后,研究了结构面表面形貌-接触特征-剪切应力3者间的关系,揭示了结构面剪切应力演化机理。结果表明:FLAC^(3D)自带INTERFACE模型无法很好地模拟结构面峰后剪切行为,是由于结构面凸起未啃断导致黏聚力和法向应力偏大,通过对INTERFACE破坏单元的黏聚力和法向刚度进行修正可很好地模拟结构面的损伤破坏行为。随着剪切位移增大,结构面的接触面积逐渐减小,但最大渗透深度却不断增加;随着法向应力的增大,结构面的接触面积和渗透深度都增大;随着JRC的增大,结构面的接触面积减小,最大渗透深度增大。剪切过程中结构面接触面积逐渐减小,结构面剪切应力集中现象越来越显著,当INTERFACE单元达到最大剪切应力后,最大剪应力分布范围增大;随着法向应力增大,结构面剪切应力分布范围和高剪切应力的分布范围都增大;随着JRC增大,结构面接触面积减小,但高剪切应力的分布范围显著增大。临界视倾角是判断结构面接触面积的重要参数,其随着结构面剪切位移的增大而增大,但增加速度逐渐变缓,呈幂函数关系;临界视倾角随着法向应力的增大而减小,随着JRC的增大而增大。结构面的剪切应力与接触面积有较强的相关性,不同剪切位移阶段的结构面接触面积比下降速率不同,弹性阶段下降最快,位移-软化阶段次之,残余阶段下降最慢。

锚杆拉剪耦合失效模式在FLAC3D中的实现与应用

在数值模拟中准确表达锚杆的承载性能对锚固支护设计至关重要。为在FLAC3D中模拟锚杆的拉剪耦合失效模式,基于锚杆失效理论判据,采用Fish语言对Pile结构单元的本构模型进行了修正,并通过锚固结构面剪切数值模拟和室内试验验证了其有效性。以兴隆庄煤矿巷道锚固支护为工程背景开展修正模型的工程应用,分析了其适用性。工程应用结果表明:修正模型模拟得到的巷道围岩变形量更大,原始模型锚杆的剪力和轴力均维持在较高水平,而修正模型达到锚杆失效条件后剪力和轴力均降为0,修正模型条件下的模拟结果更符合现场实际。工程岩体中结构面丰富,采用Pile结构单元原始模型模拟会造成支护效果评价不准确,进而引发围岩失稳等工程灾害,因此模拟时有必要考虑锚杆的拉剪耦合失效模式。

含夹矸煤巷帮部失稳机理与强化支护技术

为解决深部含夹矸煤巷帮部大变形失稳问题,以兴隆庄煤矿10304工作面轨道巷为工程背景,综合采用现场实测、数值模拟和理论分析等方法,研究了含夹矸煤巷帮部失稳机理与强化支护技术。结果表明:含夹矸煤巷帮部失稳特征为煤体沿煤-矸界面向巷道内臌出,导致该部分煤体内的锚杆失效和破断,弱化了煤体的强度与结构完整性,进而导致巷道整体稳定性降低。控制煤-矸界面的层间剪切滑移是维护巷道稳定的关键,倾斜锚杆/索、高强锚杆/索、注浆锚杆/索、增加表面支护以及增大预紧力等强化支护技术可实现对含夹矸煤巷帮部的有效控制。现场实测效果表明,强化支护方案有效地控制了煤-矸界面剪切滑移,巷道整体变形量较小,支护体系完整可靠。

巷道围岩锚固结构面剪切特性与破坏特征研究

为研究锚固巷道围岩结构面的剪切特性与破坏特征,采用FLAC_(3D)软件建立粗糙锚固结构面数值模型开展剪切试验,对锚固系统的剪切特性以及受力变形和破坏特征进行了系统研究。结果表明:锚杆能够有效提高结构面的抗剪能力,锚固系统的剪切应力在峰值位移处提升了0.33 MPa,在剪切结束时提升了0.93 MPa。锚杆所受剪切应力集中在结构面附近,锚杆所受的轴力在结构面两侧呈两组对称分布的压应力区和拉应力区。锚杆在结构面处的剪切应变较大,拉应变次之。锚固剂-围岩界面和锚杆-锚固剂界面的剪切应力在结构面处最大,锚杆-锚固剂界面所受剪切应力和受力范围更大。塑性破坏主要产生在锚杆与结构面相交处和结构面凸起处,锚固剂多是发生拉伸破坏,围岩则多是发生剪切破坏。锚杆-锚固剂界面更容易发生脱离,导致锚固系统失效。

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。