加锚断续节理岩体断裂损伤模型在硐室开挖与支护中的应用

应用断裂力学与损伤力学理论,对复杂应力状态下脆性断续节理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽理论,建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型;且建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。基于以上的本构模型和损伤演化方程,编制三维有限元程序,并将其应用于琅琊山抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖与支护工程的稳定性分析中,研究地下厂房硐室在开挖支护过程中的稳定性。重点分析硐室围岩在开挖过程中的应力状态、变形特性及损伤演化过程。将计算所得出的硐室开挖边界附近的位移值与原型观测值进行比较,得出一些对工程有指导意义的结论。

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。

热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展

为深入了解温度作用下岩石热损伤演化机制,对超深钻探、深地实验室、核废料处置库、地热资源开发等地下岩体工程的安全性和稳定性做出合理性评价,本文通过分析整理国内外文献,系统综述了温度作用下岩体变形破坏方面的研究进展与成果.简述了高温作用下岩石的物理力学特性,侧重总结了岩石物理力学参量随温度变化的演化规律.重点分析了深部岩石材料在高温条件下岩体结构及相关物理场探测技术的最新研究成果,梳理了声发射(AE)、超声波(UT)、X射线分析(XRD)、偏光显微镜(PM)、扫描电子显微镜(SEM)、核成像技术(NMR)以及CT扫描技术等先进的辅助试验设备在热破裂分析中的应用.归纳总结了国内外学者采用的热力耦合模型和数值分析方法及适用条件,简略阐述了温度作用下岩石力学参量变异性特征.最后,指出了当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性,并从深部地下工程建设方面展望了未来的发展方向,即多尺度、多场-相探究岩石热损伤机理,宏-细-微观角度系统分析岩石热损伤演化规律.

节理岩体断烈损伤模型在三峡坝基岩体力学参数模拟和预测中的应用

基于节理岩体的断裂损伤模型，建立基于等效柔度张量及特定破坏准则等效体力学参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用于三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中．通过与节理刚度模型、包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测中较为适用，为三峡工程的坝基岩体稳定分析提供了参考．

静载荷与循环冲击组合作用下岩石损伤本构模型研究

建立合理的损伤本构模型,对研究岩石在静载荷与循环冲击组合作用下的动态力学性能具有重要的意义.首先,基于静载荷与循环冲击组合作用下岩石的损伤累积演化模型,结合岩石弹性模量与累积损伤变量的关系,将循环冲击次数引入岩石损伤本构关系中.接着,假设岩石微元体强度服从Weibull分布,将统计损伤模型和黏弹性模型相结合,并根据Drucker-Prager破坏准则,建立有轴压有围压时循环冲击作用下岩石的动态损伤本构模型.进而,利用岩石动静组合加载试验数据验证损伤本构模型的正确性和可行性.最后,研究模型中参数对循环冲击过程中应力-应变曲线的影响规律.结果表明,建立的岩石损伤本构模型较好地与试验数据吻合,能较好地反映具有静载荷的岩石在循环冲击过程中的本构关系.岩石的弹性模量、黏性系数等参数对循环冲击时岩石的应力-应变曲线影响较大;而岩石的摩擦角和泊松比等对具有三维静载岩石的冲击疲劳应力-应变曲线影响较小.循环冲击过程中,岩石的非均匀度逐渐增加.研究结果有益于完善静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态疲劳力学理论体系.

裂隙化岩体应变软化损伤本构模型探讨

首先,针对基于Lemaitre应变等价性假说之岩石损伤模型的局限性与不足,在深入探讨裂隙化岩体变形损伤机制的基础上,考虑裂隙化岩体受载后体积发生变化的影响,采用空隙率反映裂隙化岩体变形过程中的空隙或岩体体积变化,并通过裂隙化岩体微观受力分析,建立裂隙化岩体损伤模型;然后,通过深入研究裂隙化岩体有效应力与宏观名义应力的关系,并引进统计损伤理论,建立裂隙化岩体应变软化损伤统计本构模型,同时提出其参数确定方法,该模型能够充分反映裂隙化岩体的应变软化特性,尤其是能较好地模拟裂隙化岩体变形初期空隙的压密阶段,同时,模型参数确定无需通过非常规岩石力学试验,且参数物理意义明确,应用将较为方便;最后,通过与前人研究成果和实测结果的比较分析,表明该模型的合理性与可行性。

综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实,提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此,首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述,其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量),进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型,并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明,在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的,而后随着应变的增加,试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加;随着节理条数的增加,试件峰值强度逐渐降低,但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的,说明了本模型的合理性。

含软弱夹层的层状岩体流变力学特性试验

依据工程地质结构制作含软弱夹层的层状岩体试样,采用全自动三轴流变伺服系统进行三轴流变力学试验,研究含软弱夹层的层状岩体的流变变形规律及加速流变特性,依据岩体各级应力水平下的稳态流变速率确定岩体的长期强度,为工程岩体流变数值试验参数辨识提供参考。根据流变试验结果,提出反映不同岩层流变力学性质的层状岩体流变模型,在模型中引入损伤变量,使流变模型可以准确反映多层状岩体在不同应力水平下的损伤流变特性。对提出的非线性损伤流变模型进行参数辨识,拟合曲线与流变试验结果较吻合,验证了非线性损伤流变模型对层状岩体的适用性。

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。

基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷;基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式;基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型,建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型;利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明,试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大,随着节理长度的增加而减小。

岩体弹塑粘损伤力学模型及其工程应用

由于岩体受开挖卸荷作用，导致岩体损伤以及质量的进一步裂化，因此，有必要考虑岩体的损伤蠕变。将岩体损伤作为一种元件来考虑，将其和弹性元件、塑性元件和粘性元件串并联建立一种岩体弹塑粘性损伤力学模型。根据建立的力学模型，推导模型的本构方程，分析其蠕变特性，并得到该模型的等效蠕变模量的计算式。将其应用于工程实际中；并将所得结果与实测数据进行比较，其变形趋势相近。

基于协同学分析的岩体累积损伤力学模型研究

基于岩体材料的非连续特征,将岩体视为由岩石和结构面组成的系统。基于协同学研究问题的微观处理方法,以被结构面分割的岩石块体相对于其原始平衡位置的位移作为序参量,建立岩石块体运动序参量的主方程。通过对主方程进行求解,建立一种考虑累积损伤的岩体力学模型。通过与已有研究成果对比分析,结果表明,该模型能够很好地解释在动载条件下岩石所表现出来的承载能力变化、损伤累积效应等现象。

岩体爆破的损伤统计演化理论模型

将实际爆破工程中的岩石爆破作为岩体工程的范畴,讨论岩体爆破的一般特点,并从岩体初始结构弱面的统计特性和爆破后的块度分布特征出发定义一种新的岩体损伤变量。将损伤变量与裂隙的分形维数相联系,构造一种岩体爆破统计损伤的演化理论模型。这种损伤量的定义满足完整岩石的损伤值为0,爆破以后岩体的损伤值为1。通过对该模型的初步计算分析表明,此模型具有清晰简明的特点和一定的实际应用价值。

拱坝坝肩含断续节理岩体破坏机理研究

结合金沙江溪洛渡高拱坝坝肩岩体断续节理的特点,采用模型试验研究方法,根据断裂力学理论模拟了含断续节理岩体抗剪强度的相似性,研究了坝肩岩体的破坏过程,破坏形态和破坏机理。

冻融荷载下节理岩体的复合损伤模型

针对工程实际中的冻融受荷岩体,以岩石初始损伤状态为参考状态,将冻融与荷载作用引起的损伤视为细观损伤,节理引起的损伤视为宏观损伤,根据Lemaitre应变等效性假设,推导建立考虑宏细观缺陷的节理岩体复合损伤模型.应用该模型分析贯通率和冻融次数分别对岩体力学性质劣化的影响,结果表明:在贯通率一定时,损伤演化曲线随冻融次数的增加而增加,试验与理论峰值强度(或弹性模量)曲线随冻融循环次数增加而降低;在冻融次数一定时,损伤演化曲线与贯通率呈正相关关系,试验与理论峰值强度(或弹性模量)与贯通率呈负相关关系.说明贯通率与冻融次数对岩体的劣化产生一定影响,且饱和试验组受冻融效应较天然试验组力学性能劣化严重.将所建模型计算结果与试验值进行比较,理论曲线与试验曲线吻合良好,验证了所建模型的合理性与有效性.

不同倾角节理岩体损伤模型及力学特性

为全面反映岩体结构特性、赋存环境及荷载效应对岩体损伤及变形破坏特征的影响,本文充分考虑岩体的非均匀性和各向异性,基于D-P准则,建立节理岩体多因子耦合损伤模型,推导模型参数的理论表达式。研究表明:损伤演化途径对应着岩体结构变化所诱发的力学性状与行为的演变;岩体总损伤值随着节理倾角的增加呈先增后减的变化态势,60°倾角时损伤值达到最大。随节理倾角的增加,岩体的强度、弹性模量及模型参数均呈先减后增开口向上的U型变化趋势,60°节理倾角时相应值最小;随围压的升高,节理岩体的强度、弹性模量、模型参数F_(0)总体呈增大趋势,而参数m不断减小。损伤扩展及模型参数的变化规律所预测的岩体力学行为与试验结果相一致,本构模型理论曲线与试验曲线也取得了较好的一致性。

汶川8.0级地震断层同震位移的构造意义与运动学模型

5.12汶川8.0级地震断层的同震位移方式、大小和空间变化为检验断层几何学、运动学与动力学分析理论与方法提供了一个现实范例。本文通过对汶川8.0级地震断层同震位移的几何学、运动学特征和可能的深部过程分析,并考虑到地震动力作用的影响,探讨了断层同震位移的地质意义和断层运动学模型问题,继而讨论了汶川8.0级地震过程中所呈现出的断层构造变形的现象对断裂构造分析的有关理论和方法的启示。提出了如下初步认识:(1)根据地震破裂面两侧地表高程差确定的断层垂直同震位移,并不完全是深部震源破裂的构造位移扩展到地表所致,而是包含了地震动力作用对断层破裂面两侧深部岩体的结构损伤破坏(膨胀)强烈程度差异所形成的非构造位移;(2)汶川地震的发震断层走滑-逆冲位移大小和方式的空间变化,可以用区域稳态构造应力和地震动力的联合作用给予合理解释,即断层的逆冲位移成分可以归因于为垂直断层的南东向的区域构造挤压应力作用之结果,而水平走滑位移则与震源体破坏过程形成的地震动力作用方向与不同区段断层的交角变化所致,即震源体上方映秀-北川断层南段和彭灌-江油断层,无论是区域构造应力,还是地震动力,都与断层走向近于直交,因此,断层以逆冲为主;而映秀-北川断层北段,即北川-青川段,由于地震动力方向与断层面斜交,并且越向北东方向交角越小,即使构造应力仍然为垂直断层走向,但构造应力和地震动力的联合作用,必然会导致走滑位移成分增加,自南向北位移的减小和震源体产生的地震动力作用的衰减;(3)汶川地震中发震断层同震位移,自南向北不仅位移方式呈现出由逆冲为主到逆冲走滑的变化,而且位移大小也逐渐减小,特别是在虹口一带,在同一摩擦镜面上先后出现了不同方向断层擦痕,即一次构造过程,就可在断层中先后形成不同方向运动学线理,反映了地震构造过程的运动学与动力学的复杂性。这些构造现象对历史断层运动学-动力学分析理论和原则提出了挑战。在研究断层历史活动方式和活动期次时,如何建立沿断层走向的运动学方式的变化与其相对应的区域构造应力场关系问题,利用断层不同方向的运动学线理确定的断层活动期次和活动方式的可靠性问题,断裂构造运动学-力学过程分析的理论和方法是否应该充分考虑地震动力作用的叠加影响问题等。这些有关地壳构造变形分析的基本科学问题值得构造地质学家进一步思考和探讨。

破碎软岩注浆结石体的动力冲击试验及动态损伤模型辨识

岩体注浆结石后的动力特性直接影响到岩体加固工程的动力稳定性,目前对破碎软岩注浆结石体的动力特性并不明确,因此开展结石体动力特性的定性与定量研究具有较大意义。选取典型的软岩碎块,假定注浆裂隙的均匀性并忽略浆液扩散的随机性,通过简化控制注浆模仿过程制备注浆结石体试样,借助SHPB装置进行了动态冲击压缩试验。研究结果表明,注浆结石体的破坏大部分发生在浆-岩胶结面,细观上表现出显著的脆性损伤开裂特征,宏观全应力-应变曲线初始阶段无显著的压密过程,较小应变时便达到峰值强度,但峰值强度后阶段表现出显著的应变软化特征,破坏后阶段存在一定的残余强度;软岩碎块与水泥的质量比对结石体的动力特性具有显著影响,成分最优配比条件下结石体的峰值强度可达到极大值;相同材料含量比条件下含水率越高其动峰值强度及弹性模量普遍越小,表明含水率对结石体动力特性具有显著影响。此外,基于连续损伤及统计强度理论,辨识得到了软岩注浆结石体的动态损伤力学模型及其参数,对比表明理论计算结果与实测曲线具有较好的一致性。研究成果可为开展破碎软岩注浆体的特性研究提供借鉴与参考。

含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤机制研究

对消落带劣化岩体及水库诱发地震共同影响下三峡库区某典型危岩边坡的稳定性进行了研究,设计并开展了几何相似比为1:100的振动台模型试验,探讨了含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏演化全过程及其动力响应规律。研究表明:含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏全过程可归结为坡体内部损伤累积—裂隙发育—次级节理与深大裂隙贯通—失稳倾倒,同时伴随消落带岩体表层松动—掉落—破坏及内部出现渗流网—形成渗流通道—形成“凹腔”的复合破坏模式;随着地震动的持续,危岩体内部动力响应规律具有典型的“趋高”及“趋表”效应,危岩边坡表面累积位移不断增加,消落带处孔隙水压力整体增加,危岩边坡内部水平向及竖直向土压力在全阶段中整体均呈先增大后减小的规律;危岩边坡自振频率及阻尼比在全阶段整体呈减小和增加的趋势;在小震结束前阶段及强震阶段,危岩边坡损伤度曲线分别呈“S”型分布和指数型分布。

高地应力条件下围岩破损区岩体力学特性研究

利用细观损伤力学的基本原理,建立了高地应力区围岩稳定分析的细观损伤力学模型,对围岩破坏全过程进行了分析模拟。引入等效模型的概念,对破损区域内围岩在破坏前后分别建立等效模型,进行数值力学试验,根据试验得到的力学特性曲线,对围岩开挖破碎带岩体主要力学参数(强度、变形模量等)随施工过程的变化规律进行了深入的定量研究,得到了岩体主要力学参数的变化数值,为岩体稳定分析和结构设计提供了可靠的依据,同时也进一步明确了开挖后围岩扰动区域的划分标准。