基于光滑节理模型的岩体水力压裂数值模拟

水力压裂是许多工程中非常关注的问题,自然情况下的岩体由于经历反复的地质作用往往会形成大量的结构面,结构面的存在影响并制约着岩体的性质.基于颗粒离散元程序对页岩水力压裂进行了数值模拟,采用颗粒粘结模型及光滑节理模型分别模拟完整岩石与节理面,对比分析了完整岩石以及存在节理面的岩体在高压水作用下的裂缝扩展及分布规律.研究发现:对完整岩石进行水力压裂可以获得较为完整的裂缝,且裂缝基本上沿着平行于最大主应力的方向扩展.节理面的存在对页岩水力压裂裂缝的扩展具有诱导作用,数值模拟结果显示除了注水孔周边,裂缝基本上沿着节理面扩展.

横观各向同性岩体平直−光滑节理双模型细观参数联合标定方法

为更真实地模拟节理岩体的力学行为,颗粒流程序(PFC)采用平直节理模型(FJM)和光滑节理模型(SJM)分别模拟横观各向同性岩体的岩石部分和节理部分。但双模型(FJM和SJM)标定涉及的细观参数多,导致宏观−细观参数对应关系复杂。为此,本文提出一种横观各向同性岩体双模型细观参数联合标定方法。首先,遴选核心细观参数,建立岩体参数标定指标体系,对指标体系中的宏观−细观参数进行了敏感性分析,得到显著影响各宏观参数的细观参数;然后,提出FJM和SJM细观参数标定优先级体系,构建双模型细观参数联合分析方法,建立表征宏细观参数之间的函数关系;第三,为提高参数标定的准确性,提出了细观参数迭代校准方法;最后,形成了一套针对横观各向同性岩体的标准化细观参数标定流程。研究结果表明:所提标定方法可应用于页岩的细观参数标定,标定结果的相对误差小于3%,验证了该方法的有效性。

基于PFC的岩石节理模型宏细观参数相关性研究

以光滑节理模型为基本模型,以剪切试验作为宏观和细观参数测试方法,通过七因素三水平的正交试验设计,通过方差分析研究了细观参数对宏观参数的影响。结果表明粘聚力C主要由光滑节理摩擦系数控制,剪切模量Es主要受到光滑节理切向刚度的影响,光滑节理摩擦系数是内摩擦角φ的显著性影响因素;并根据方差分析结果,拟合了光滑节理模型宏细观参数的回归公式,为细观参数的标定提供了依据。

缓倾层状岩体各向异性力学性能与破裂特征研究

为研究缓倾层状岩体结构特性对其各向异性力学性能和破裂演化特征的影响,本文考虑不同结构面间距、强度、倾角等结构特征参数及模型尺寸效应,开展缓倾层状砂泥岩多因素影响试验研究.基于颗粒流方法建立缓倾层状岩体数值力学模型,通过室内试验标定了层状砂泥岩参数,并验证了所建立模型的有效性.通过颗粒流数值力学试验,创新性地研究层状岩体结构面的裂纹发育速率,进而揭示缓倾层状砂泥岩强度各向异性及破裂演化特征,确立其力学特性与结构面间距、强度、倾角三个结构特性之间的关系.研究结论:(1)引入的平节理模型(FJM)与光滑节理模型(SJM)建立的离散元力学模型,能表征缓倾层状岩体强度各向异性力学特性与破裂演化过程;(2)缓倾层状岩体切线模量与强度,随层间距和层间强度的增大而增大,随结构面倾角的增大而减小,破裂特征受结构面的影响逐渐增大,基于单组结构面理论计算结构面发生剪切破坏的临界角度为24.5°;(3)结构面裂纹的发育速度,随结构面间距的增大而减小、随结构面倾角的减小而减小,随结构面强度的变化不明显.本文研究结果为缓倾层岩体隧道的力学行为与围岩稳定性研究提供了参考.

基于颗粒形状的节理花岗岩力学性能颗粒流模拟研究

以齐热哈塔尔水电站的片麻花岗岩为研究背景,基于颗粒流数值理论,采用离散单元法,运用其内置的Fish语言建立由不同形状的clump单元组成的片麻花岗岩数值模型。通过预制7种不同倾角的光滑节理模型来分析片麻花岗岩节理方向性下的力学响应与损伤机制。研究结果表明:不同倾角下节理岩体的破坏模式为三种类型:翼裂纹的张拉模式、剪切模式、拉剪复合耦合模式,倾角为60°岩样相比于其余倾角强度最低,拉应力引起的裂纹起裂是导致各种宏观破坏的主要诱因,研究成果可为实际工程提供指导意义。

不同节理模型在层状复合岩石离散元模拟中的应用

煤矿巷道围岩中广泛存在由不同岩性岩石组成的层状复合岩体,其变形破坏具有强烈的各向异性特征,对巷道的稳定安全会产生特殊的影响。目前,除了物理力学试验手段以外,离散元模拟被越来越广泛地应用到数值模拟研究中。本文以物理模拟试验为基础,在颗粒流模拟程序PFC^(2D)平台中分别采用删除颗粒黏结(bond removal method,BRM)和光滑节理模型(smooth joint model,SJM)2种节理面处理方式建立了层状复合岩石的模拟模型。模拟研究结果表明:SJM模拟模型可以更好地反映物理试验的应力—应变曲线形态,而BRM模型会在岩层倾角较大时产生较大的塑性变形,无法反映室内试验试样的脆性破坏特征。2种节理模型均可整体反映物理模拟试样的强度变形各向异性规律以及破坏模式,但SJM模型能更好地反映物理试样单轴压缩强度和弹性模量的各向异性特征,而BRM模型试样的宏观破裂面比SJM模型试样更加显著,与物理试样的破裂面更接近。另一方面,SJM节理模型能单独统计出SJM拉伸裂纹和剪切裂纹,通过分析这些裂纹的数目和分布区域可以更好地分析层状复合岩石试样破坏的细观机理。研究结论为后续离散元方法模拟层状复合岩体或节理岩体研究提供了积极的参考和指导。

等效岩体技术在岩体工程中的应用

以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明:(1)等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2)随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3)等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4)等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。