考虑残余强度的层状岩体损伤演化规律

为更加真实准确地描述层状岩体的损伤演化过程,结合横观各向同性材料的弹性理论和损伤力学理论,采用修正的Lemaitre应变等价假设,建立了考虑残余强度的层状岩体损伤本构模型,通过页岩、千枚岩和板岩的三轴试验数据验证了模型的准确性,并分析了不同层理角度岩体的全过程损伤演化规律.研究表明:模型既可以描述层状岩体的弹性变形,又可以较好地反映峰后应变软化过程;在初期加载过程中岩体的损伤值基本为0,随着应力增加,损伤值呈现出缓慢增长、加速增长、减速增长以及达到残余强度后稳定于1;页岩层理角度为60°时损伤演化曲线最陡,损伤发展速度最快,最先破坏,千枚岩层厚较薄,强度更低,层理角度为90°时最先破坏,而板岩相对较厚,强度更高,层理角度为45°时最先破坏;岩体层理弱面的存在,导致了力学性能和破坏模式的各向异性,损伤演化规律也表现出明显的差异性.

基于层状岩体卸荷演化的锦屏Ⅰ级地下厂房洞室群稳定性与调控

锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏Ⅰ级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏Ⅰ级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。

加锚层状岩体的本构模型

将加锚层状岩体作为等效连续介质推导了加锚层状岩体的本构方程 ,新的本构模型考虑了节理的剪胀扩容现象和锚杆作用 ,弥补了以往分析中的不足 。

卸荷岩体本构关系研究

对地质材料模型、石膏模型、砂浆模型进行了模型试验,通过对模型试验得出的数据进行分析、拟合,得出卸荷岩体的增量本构。并在有限元分析程序ADIDA中接入该本构关系,对清江隔河岩电站厂房高边坡三维模型进行有限元分析,通过与加载模型的计算进行比较分析,说明了该本构的合理性。

不同倾角节理岩体损伤演化特征分析

为研究节理倾角对岩体损伤的影响规律,运用损伤力学理论建立考虑节理与荷载共同作用的岩体损伤演化模型及损伤本构模型;通过单弱面理论对模型试验进行验证,同时探讨节理岩体损伤演化特征.结果表明:单弱面理论结果与试验结果较为吻合,模型试验能较好地表征含单一结构面的岩体在荷载作用下的力学特征及损伤演化规律;当节理倾角从0增大到90°过程中,初始节理损伤先增后减,在倾角为60°时至最大值,总体呈倒“U”型分布规律;不同倾角节理岩体总损伤演化规律基本一致,均呈“S”型分布规律,先缓慢增加,而后快速增加,最后再缓慢增加其值趋于1;节理倾角只影响总损伤率数值大小不影响其演化规律,总损伤率随应变增加呈正态分布;总损伤率受控于节理面分布规律,当节理倾角从0增大至90°的过程中,总损伤率先减小后增大.

层状岩体各向异性弹塑性模型及其数值实现

基于层状岩体变形及强度的各向异性特征,在McLamore&Gray强度准则的基础上,利用Mohr-Coulomb强度准则与Drucker-Prager强度准则之间的参数变换关系,将各向同性Drucker-Prager强度准则推广到层状岩体中,并由此建立层状岩体的各向异性弹塑性本构模型。给出此本构模型的隐式积分算法及一致切线刚度矩阵,并利用ABAQUS所提供的用户材料子程序UMAT接口,对模型进行数值实现,用以对层状岩体进行应力变形分析。

脆性裂隙围岩的损伤力学分析及现场监测研究

我国西南地区许多水电站基岩为脆性围岩或位于高地应力区。其地下式厂房洞群边墙经常出现较深的开裂区。采用断裂和损伤力学模型结合现场监测工作来研究此现象。该模型可考虑多组节理中裂隙面的各种几何损伤参数。根据应变等效假设可得到基于莫尔-库仑准则的损伤本构方程。运用断裂力学原理分析岩体在开挖过程中原有裂隙产生次生裂纹的现象,推导出岩桥贯通的破坏准则和损伤演化方程并将前述的模型程序化。再运用该新的分析程序对一个水电站洞群工程进行稳定性分析。最后,运用该工程现场监测数据得到的围岩松弛开裂区深度与程序推算的结果做比较,说明二者的劈裂区发育规律很相近。

不同山体坡度初始地应力特点及对地下工程影响

在高山峡谷地区修建地下工程,山体坡度不同时会对初始地应力有十分重要的影响。通过数值分析研究了当山坡坡角分别为30°、45°和60°时,在重力场条件下山体中在垂直向和水平向典型剖面中初始地应力分布的特点。经比较后认为,若在山体中取其直接埋深算出的垂直向地应力数值与实际值相差很大。山坡越陡,差值越大。随后,又在45°的山体中设定开挖2个不同位置的洞室,并采用了节理岩体的损伤-断裂模型做数值分析,比较二者的稳定性状况。结果发现,其围岩的损伤度十分不对称,而且离坡面(或坡脚)越近,则破损区越严重。并提出了相应的结论和建议。

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式,其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先,运用模型元件的方法,将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成,对黏弹性响应的Maxwell体进行改进,将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体,构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型;其次,基于断裂力学及应变能理论,对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析,综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能,得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式;最后,将模型计算结果与实验结果进行比较,模型计算结果与实验结果吻合较好,证明了模型的合理性,同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。

复合岩石损伤本构方程与实验

大量沉积岩样的电镜与岩相微观研究表明 ,岩石是由含不同形态的晶体和孔隙构成 ,由此建立岩石微结构损伤模型。进而导出了各自损伤演化过程、力学参数、有效应力、不等围压等因素的多层复合岩石三维非线性损伤本构方程及损伤演化方程。实验结果表明 。

裂隙岩体本构模型及数值模拟研究与应用

基于莫尔-库仑理论模型,结合裂隙岩体损伤力学方法,研究岩体中裂隙的出现、扩展从而实现岩体局部破坏的本构关系及演化方程,同时在FLAC3D提供的二次开发程序接口基础上,采用VC++程序语言实现了自定义本构模型,并将其编译成动态链接文件进行加载与调用。将此本构模型应用于一实际巷道的开挖围岩稳定分析中,得到塑性区、位移场、应力等值线分布与莫尔-库仑模型计算结果分布相符合,从而进一步验证了模型的适用性和可靠性,这为工程的实际应用提供了一种方法。

深切河谷初始地应力特点及其对地下工程的影响

在深切河谷地区修建地下工程,山体不同坡度时会对初始地应力有十分重要的影响。通过数值分析研究了当山坡坡角分别为30°、45°和60°时,在重力场和构造应力条件下山体中在垂直向和水平向典型剖面中初始地应力分布的特点。得出以下结论:1山体同一高程处,地应力的分布特点是先增大后减小的驼峰式。2地下洞室开挖距离坡脚越近,修建后洞室周边的塑性区越大,对于洞室围岩的稳定性越不利。3在研究河谷地区的地应力分布规律和状态时,仅考虑自重作用是不全面的,应该结合区域特性,考虑构造应力的影响。4由于河谷形成过程中的卸荷作用及风化作用,河谷底部构造强烈,产生了大量的应力集中。

层状岩体各向异性损伤模型及验证

为推导层状岩体各向异性损伤模型,研究损伤对层状岩体力学参数的劣化程度,通过层面局部坐标系下的两组损伤变量对横观各向同性弹性本构方程进行修正,经坐标转换形成整体坐标系下的损伤本构方程,采用室内单轴压缩试验和三轴压缩试验结果验证该损伤模型的合理性。研究结果表明:(1)通过层状岩体损伤模型计算所得的强度和变形参数均可较好地反映试验结果,并具有各向异性,计算出的应力-应变曲线与试验结果吻合较好;(2)通过该损伤模型,仅需层面倾角为0°和90°时的两组变形参数即可求解各倾角下的应力-应变关系;(3)通过对摩尔-库伦屈服准则中的参数进行损伤劣化修正,可对试件破坏后的力学行为进行预测。研究结果对于层状岩体的试验研究、理论计算和工程建设具有一定的指导意义。

层状岩体横观各向同性弹塑性模型及数值实现

层状岩体在平行和垂直层面的方向上具有不同的强度、变形特性,进行非线性分析时须将层状岩体视为横观各向同性介质。在前人研究的基础上,通过编写UMAT程序将横观各向同性弹塑性本构模型嵌入ABAQUS有限元分析软件,对层状试件进行单轴压缩数值试验与ABAQUS自带M-C模型计算结果进行对比,同时将该模型退化为各向同性模型应用于层状岩体地下工程的计算,计算结果均能验证该模型的有效性和实用性。

层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。

考虑温度效应的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃(室温),100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在100℃时增幅明显。拟合各力学参数的经验公式发现,峰值强度及弹性模量趋于劣化并呈线性降低,峰值应变与温度成正相关。随着温度升高,层状复合岩石呈剪切–滑移型破坏,单一类岩石由剪切破坏向张拉–剪切破坏转化,破坏时微裂纹数量增多,在300℃时延性特征显著。引入考虑温度效应的岩石本构模型并拟合了不同温度下的应力应变曲线,该模型较好地表征了热处理后层状复合岩石的损伤演化规律及破坏特征,合理地揭示了层状复合岩石高温作用后的损伤机理。

基于CT技术的层状复合岩体损伤演化规律分析

提出了基于CT(电子计算机断层扫描)技术的层状复合岩体损伤演化规律分析方法。该方法依据岩体颗粒之间的碰撞,计算颗粒间相互作用力的法向分量和切向分量,以此建立岩体损伤分析模型;设置固定节点,利用CT技术对岩石样品进行扫描,由CT图像获取岩体损伤特征;根据夹层应力模型引入岩体蠕变参数,通过线性回归方程计算原理,分析得出岩体损伤演化规律。试验测试结果表明,对比传统分析方法,该方法获得的损伤数据精准,分析得出的岩体损伤演化规律与实际相符合,能满足岩体损伤规律分析的要求。

裂隙岩体动态损伤演化与体积扩容方程

与时间相关的岩石扩容现象源于岩体内部大量微裂纹的张性扩展。从断裂力学的裂纹研究出发,探讨不均匀加卸载过程中,岩体内部微裂纹在应力集中源附近的局部拉应力作用下,裂隙萌生和扩展的动态过程,并利用散布损伤力学手段描述裂纹体系的动力行为,建立起微观断裂与宏观扩容之间的联系。试验结果分析表明:本文所建立的扩容方程能够有效地描述加卸载过程中裂隙岩体的动态损伤演化和体积扩容全过程,与已有的形变方程一同构成深部岩体变形破坏动态本构模型的完备方程组。

考虑结构面特性的层状岩体各向异性模型

层状岩体中存在着定向结构面,导致其力学特性具有明显的各向异性。将层状岩体视为由基岩和定向结构面构成的一种宏观复合材料,以Drucker-Prager准则为基础,通过分别考虑结构面和基岩的力学性质,建立了层状岩体各向异性力学模型。该模型克服了常规层状岩体力学模型不能反映地层结构面特性及不能独立考虑基岩累进破坏特征的问题。在此基础上,提出了该模型的求解方法,基于ABAQUS二次开发,编制了计算程序,通过与经典理论进行对比,验证了该模型的有效性和实用性。将该模型应用于层状岩体地下工程的计算分析,所得结果可以较好反映层状岩体各向异性特性,且与工程实践基本相符。