基于广义Voigt模型的半渗透边界隧道周围饱和软土固结分析

引入衬砌半渗透边界条件,使用广义Voigt黏弹性模型描述隧道周围饱和软黏土的流变特性,基于Terzaghi-Rendulic理论建立以超孔隙水压力为变量的软土二维流变固结控制方程。采用保角变换和分离变量方法,得到超孔隙水压力关于时间和空间变量的两个独立方程,依次使用Laplace变换法与部分分式展开法得到时域内超孔隙水压力消散解。将广义Voigt模型退化为已有四元件Burgers模型和五元件模型并与其对比,验证解答的可靠性。基于建立的解答,分析衬砌透水程度、Kelvin体数量、独立Newton黏壶黏滞系数、隧道埋深等因素对超孔隙水压力消散与分布的影响规律。结果表明:衬砌与土体的相对渗透系数比越大,超孔隙水压力的消散起始时间越早,消散速度越快。Kelvin体数量越多,超孔隙水压力消散越慢;独立黏壶黏滞系数越大,其产生的黏滞变形越小,超孔隙水压力消散速率越快;隧道埋深越大,土体渗流路径越长,超孔隙水压力消散越慢;当相对渗透系数比为0.01时,超孔隙水压力随着到隧道外壁距离的增大而逐渐减小,当相对渗透系数比为1.00时,超孔隙水压力随着距离的增大而出现先增大后减小的现象;随着相对渗透系数比的增加,Kelvin体数量对超孔压消散的影响越小,不同独立黏滞系数带来的超孔压消散差异逐渐减小,隧道衬砌作为土层内部新透水边界的作用越突出。

含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC^(2D)的人工合成岩体技术(SRM),研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示:在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度(PGA)放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。

细观结构的非均质性对花岗岩强度及变形影响的颗粒流模拟

基于等效晶质模型建模方法,利用颗粒流软件PFC^2D实现对花岗岩细观结构的重建,开展了一系列不同围压下的花岗岩常规三轴压缩试验研究。揭示了晶体粒径分布所造成的细观结构上的非均质性和Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的关系以及对岩石脆性的影响。研究结果表明,非均质性对岩样受压加载情况下的应力–应变曲线具有显著的影响。随着非均质因子增加,岩石由均质变为非均质,弹性模量逐渐减小,泊松比增加。随着非均质性因子的增加,岩石抗压强度减小、内聚力增加、内摩擦角减小。对同一类花岗岩而言,Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的取值并非恒定,而是一定程度上依赖于内部的细观结构。当岩石细观结构变化时,两种强度准则中的参数也随之改变。细观结构的非均质性对岩石的脆性指标影响较大,随着非均质性因子的增加,岩石脆性指标减小。

基于平行黏结水弱化模型的页岩吸水软化离散元模拟

基于颗粒离散元方法,通过构建损伤因子,提出了平行黏结水弱化模型,建立了考虑胶结物力学参数的非均质性的颗粒流模型。通过室内试验和数值模拟计算结果的对比分析,验证了所提模型的正确性和适用性。主要结论如下:(1)岩石胶结物的非均质性对岩石宏观力学性质存在一定影响。随着均质性因子m的增加,岩石均质性增加,单轴抗压强度和弹性模量也随之增加,符合指数函数关系;(2)随着黏结面积系数的增加,岩石所储存的总应变能的总量和增速逐渐降低;(3)岩石在干燥状态下,微裂纹倾角集中于80°~100°,随着黏结面积系数的增加,微裂纹倾角的分布范围逐渐增加;(4)随着黏结面积系数的增加,岩石破裂面更为密集,且贯通性增强。研究结果可为深埋隧道遇水产生围岩大变形、库岸涉水边坡变形等问题的细观机制研究提供了一定的依据和理论指导。

花岗岩晶体粒径分布对声发射特性影响的颗粒流模拟

基于离散元理论和PFC软件,将等效晶质模型和矩张量理论相结合,模拟了单轴压缩实验中细观结构的非均质性对岩石声发射特性的影响,揭示了晶体粒径分布所造成的非均质性对岩石破裂过程中声发射事件的空间定位分形维数、破裂强度、b值等的影响规律。主要研究结论:(1)细观结构的非均质性对岩石的声发射活动存在较大影响。随着组成声发射事件的微裂纹数的增加,声发射事件数迅速下降,两者符合负指数函数关系。(2)当晶体粒径分布越不均匀,其岩石的非均质性越大,应力场分布均匀性越差,岩石的声发射活动开始越早,微裂纹形成的越早,起裂应力越低。晶体粒径、应力场分布、微裂纹和声发射事件是一条影响链。(3)随着非均质性因子的增加,声发射活动的b值逐渐减小,岩石中大尺度微破裂所占比例增加。声发射b值和非均质性因子H之间呈现出良好的线性关系。(4)当非均质性因子较大时,破裂强度大的声发射事件倾向于集中在主破裂面。随着非均质性因子的增加,声发射事件的空间定位的自相似性增强,声发射空间定位的分形维数逐渐降低。分形维数与非均质性因子呈现幂函数关系。该研究方法有效弥补了室内声发射试验的不足,为揭示细观结构的非均质性对岩石声发射活动的内在影响提供了一种有效的技术手段。

基于PFC对含断续节理岩质边坡静力荷载下破坏形式的研究

在含断续节理岩质边坡的破坏中,阶梯状破坏尤其显著,是一种常见的失稳破坏形式。借助二维颗粒流软件(PFC2D5.0)进行简单地质结构模型下的边坡数值模拟,通过采用PFC软件中的人工合成岩体技术,研究了7种不同组合形式下含断续节理岩质边坡的破坏形式及其内部微观接触力场的演变规律。首先对PFC软件中采用的微观力学性质参数进行了验证模拟,通过对完整岩块进行双轴压缩试验和巴西劈裂试验的模拟,得出其应力-应变曲线和强度包络线,从而计算出完整岩块的内聚力、内摩擦角等宏观力学参数;然后通过对含裂隙的颗粒集合体进行直剪试验的模拟,得出其剪应力-剪切位移曲线以及峰值强度和残余强度与正应力的关系曲线,从而计算出裂隙的内聚力和内摩擦角;最后对含上述微观力学性质参数的边坡进行静力荷载下破坏形式的模拟,得出裂隙萌生前应力集中、裂隙萌生后应力释放,以及可将潜在滑动面上方的坡体位移分成4个区,即坡脚处最大位移区、坡肩处较大位移区、坡体内部较小位移区、坡体后缘最小位移区,并验证了萌生的裂隙一般会近垂直于岩桥向坡体表面扩展,切割潜在滑动面以上坡体。

离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性影响的颗粒流分析

基于颗粒流软件平台,采用图像处理技术和Monte Carlo法,生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模,从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下:(1)裂隙平均长度和密度影响着岩石的力学性质,岩石的单轴压缩强度、弹性模量随裂隙密度的增加而减小。(2)单轴压缩下岩石破坏时均是晶间-拉裂纹和晶内-拉裂纹为主。(3)离散裂隙网络与岩石的声发射事件密切相关。随着裂隙密度的增加,声发射b值和分形维数D值均呈下降趋势。当b值和D值急剧下降时,预示着岩石失稳破坏。(4)离散裂隙网络对声发射事件的破裂强度有一定的影响。在离散裂隙网络附近易产生破裂强度大的声发射事件。综上所述,基于离散裂隙网络和等效晶质模型联合建模获得的细观角度上岩石破裂机制和声发射现象等结论,可有效弥补现有室内试验中研究手段的不足,并对野外具有更为复杂的裂隙网络的岩体稳定性评价与工程施工提供有力支撑。

含2条断续裂隙试件直接拉伸下的颗粒流模拟

采用颗粒流程序PFC构建了试件直接拉伸模型,模拟了含2条断续裂隙试件的直接拉伸试验,通过完整试件的模拟结果与室内试验结果的对比,验证了细观参数的准确性和可靠性,同时分析了裂隙倾角和岩桥倾角对抗拉强度和裂纹扩展的影响。研究表明:在直接拉伸情况下,含2条断续裂隙试件以萌生次生倾斜反翼裂纹为主,少量次生共面裂纹和翼裂纹;岩桥倾角和裂隙倾角均较小时,次生共面裂纹与原始裂隙之间发生搭接、贯通,随着岩桥倾角和裂隙倾角的加大,次生倾斜反翼裂纹扩展使试件断裂;裂纹扩展的方向与最大拉应力的方向基本保持垂直;岩桥倾角对于试件的抗拉强度和起裂应力影响不大;裂隙倾角对于试件抗拉强度和起裂应力影响明显,裂隙倾角越大,试件抗拉强度和起裂应力越大。

奉节新铺滑坡裂缝位移与降雨天数相关性研究

为揭示有效降雨量模型中降雨天数与滑坡裂缝位移之间的关联,提出基于有效降雨量模型与皮尔逊相关系数的计算方法。以奉节县新铺滑坡作为研究对象,利用地质灾害监测系统采集滑坡位移与日降雨量数据,对奉节城市裂缝2的监测点位移与降雨天数进行相关性分析。基于相关度分析结果,对相关系数r与日前降雨量R_(n)中天数n进行曲线拟合,提出针对新铺滑坡不同时期有效降雨量模型天数n的最佳取值。结果表明:奉节县降雨集中时期,监测点裂缝位移剧烈变化,与日有效降雨量R_(e)呈显著相关,日前降雨量R_(n)的降雨天数n最佳取值为15 d;降雨稀少时期,监测点裂缝位移变化缓慢且不明显,与日有效降雨量R_(e)呈低度相关,日前降雨量R_(n)的降雨天数n最佳取值为11 d;日前降雨天数n与相关系数r呈指数函数曲线分布。

考虑非均质性岩石吸水软化效应的颗粒离散元模拟

分析岩石的吸水软化效应对于预防地下工程安全隐患有重要意义。基于颗粒离散元方法,采用Weibull分布模拟岩石的非均质性,并利用平行粘结半径乘子的改变模拟不同含水率下岩石吸水软化效应的变化,提出考虑非均质性岩石吸水软化效应的颗粒离散元模型,在此基础上分析非均质性和含水率对岩石吸水软化效应的影响,证实了该模型在岩石吸水软化效应模拟方面的可行性。结果表明,均质性因子m越大,单轴压缩强度越高;弹性模量和单轴压缩强度随均质性因子m的变化规律基本符合指数函数关系;含水率从0升至2.743%,平行粘结半径乘子减少了46%,弹性模量减少27.6%,单轴压缩强度减少了47.4%;平行粘结半径乘子、单轴压缩强度、弹性模量与含水率的变化规律基本符合指数函数关系。裂纹的发展经历缓慢发展阶段、稳定发展阶段和快速发展阶段三个阶段;随着含水率的增加,模型会更快进入裂纹稳定发展阶段,在裂纹稳定发展阶段产生的应变减少,在裂纹快速发展阶段产生更多裂纹;含水率的增加,水对岩石内部颗粒间粘结造成损伤和破坏,使结构变得松散,破坏时产生的破裂面更为密集且贯通性更强;力学性质上表现为岩石的承载能力降低,抵抗变形的能力变弱,破坏形式由拉伸破坏逐渐转变为剪切破坏。

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示:地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用:当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。

细观结构的非均质性对花岗岩蠕变特性影响的离散元模拟研究

基于颗粒离散元方法,通过将等效晶质模型和应力腐蚀模型相结合,建立考虑晶体粒径分布的非均质性蠕变颗粒流模型。通过室内试验和数值模拟计算结果的对比分析,验证该方法在花岗岩蠕变力学特性研究中的适用性和可靠性,表明晶体粒径分布所造成的非均质性对花岗岩蠕变失效时间、稳态蠕变速率、裂纹数量和长期强度等性质都具有很大的影响。主要研究结论如下:(1)当非均质性因子越小时,岩石越均质,单轴抗压强度和长期强度越高,岩石的长期强度和单轴抗压强度的比值在0.70左右;(2)岩石在同一应力下,当非均质性因子越大时,蠕变失效时间越小;在同一驱动应力比下,随着非均质性因子的增加,岩石稳态蠕变速率降低,蠕变失效破坏时间更长;(3)微裂纹的发展大致分为3个阶段:缓慢扩展阶段、等速扩展阶段和加速扩展阶段,从微裂纹数量上,呈现出晶间拉裂纹、晶内拉裂纹、晶间剪裂纹数量递减的规律,晶间裂纹在总裂纹数量中占主导地位;(4)岩石的细观结构对破坏模式起着控制性作用,当模型较为均质时,破坏模式呈现出劈裂破坏;当非均质性增加时,破坏模式转变为剪切破坏。微裂纹在扩展过程中会优先选择晶体边界扩展,并且出现了明显的'绕核'现象,即粒径较大的长石对裂纹扩展和破坏模式影响明显,当岩石非均质性越大时,该现象越明显。

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型:聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明:3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。