基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角<60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角>60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。

基于改进刚体弹簧方法的裂隙岩体最佳长径比研究

采用改进刚体弹簧方法虚拟实现单轴压缩试验,对不同长径比0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5的裂隙砂岩试样进行数值压缩模拟,研究长径比对裂隙岩石试样破坏过程、应力-应变曲线、峰值强度和破坏形态的影响。结果表明：不同长径比裂隙试样均从预制裂隙端部起裂,随着长径比的增大,裂隙试样大致经历了劈裂-锥形劈裂-剪切破裂的过程,且其内部张拉裂隙数量远远大于剪切裂隙。通过尺寸效应的研究得出单轴压缩试验试样的最佳长径比为2.5~3.0。

基于改进刚体弹簧方法的地下厂房塌方过程模拟

基于改进刚体弹簧方法,对大岗山水电站地下厂房第I层开挖时出现的塌方进行数值模拟。计算研究发现,塌方主要是在破碎带β_(80)和β_(101)、岩脉C_(12)和C_(13)以及优势裂隙等地质结构的不利组合条件下由洞室开挖诱发的。计算结果与实际观测基本吻合,解释了地下厂房的塌方机理。

基于改进刚体弹簧方法的岩石破坏过程三维模拟

基于刚体-弹簧方法,提出一种新的模拟脆性岩石破坏过程的三维离散数值模型。该模型采用分布在界面上的弹簧组,描述块体之间的相互作用,能够自然考虑裂纹的渐进扩展。为得到均质各向同性的计算网格,在“点饱和”方法的基础上,提出了增长式的“核”布置策略,建立一种新的随机Voronoi网格剖分技术,并给出三维改进刚体–弹簧方法的基本方程。考虑界面的剪切滑移和张拉2种破坏模式,建立基于Mohr-Coulomb准则和抗拉强度准则的破坏准则,并提供模型细观参数的标定流程。最后,通过与室内三轴试验结果对比,验证了该模型的有效性。此外,还讨论了不同弹簧布置形式及块体尺寸对模拟结果的影响。结果表明,所提模型能够准确描述岩石与围压相关的非线性应力–应变响应过程,微裂纹的产生、扩展和贯通全过程,以及岩石的在不同围压条件下的宏观破坏模式。

基于改进刚体弹簧方法的二维水压致裂模型

以改进刚体弹簧方法为基础,结合等效离散裂隙网络模型,提出二维岩石水压致裂模拟方法。水压和力学响应的相互作用通过Biot理论描述。同时,推导了弹性条件下厚壁圆筒水力耦合解析公式,通过与数值解的对比,验证了数值模型的准确性。将该数值模型用于平面应力条件下厚壁圆筒的水压致裂过程分析,重点探讨了Biot系数对水压致裂过程的影响。研究表明,Biot系数作为反映水力耦合效应的重要参数,对水压致裂过程中的位移和破坏强度有显著影响。

基于改进刚体弹簧方法的开挖损伤演化分析

基于改进刚体弹簧方法研究结构面在围岩开挖过程中的响应及围岩损伤区范围。改进刚体弹簧方法基于Voronoi网格,能够显式模拟细观裂隙的起裂、扩展和贯通过程。界面破坏准则结合了Hoek-Brown准则和抗拉强度准则,能同时考虑拉裂和剪切2种破坏模式。计算采用渐变式的网格,对重点关注区域进行网格局部加密,这种方式可以精细考虑开挖面附近的围岩损伤同时提高计算效率。为验证模型的合理性,在弹性条件下对一个简单算例进行计算,计算结果与有限元结果吻合良好。以锦屏二级水电站引水隧洞为例,计算NWW向优势陡倾节理在不同开挖步对围岩损伤区的影响,损伤区分布规律与现场观测结果基本吻合。

基于刚体弹簧–等效离散裂隙网络耦合方法的水压致裂数值模型

提出一种模拟二维非稳定渗流过程的等效离散裂隙网络模型。在此基础上,结合改进刚体弹簧方法,通过引入考虑断裂能的渐进拉裂破坏准则,建立一种新的水压致裂过程数值计算模型。应力、变形、裂隙扩展过程计算采用改进刚体弹簧方法,非稳定渗流计算采用等效离散裂隙网络模型。为模拟等效的宏观渗透特性,给出细观渗流参数的确定方法,通过与一维非稳定渗流解析解的对比,验证等效离散裂隙网络模型的适用性。给出改进弹簧方法和等效离散裂隙网络水力耦合模型的计算流程,通过与弹性稳定流条件下厚壁圆筒的解析解对比,验证弹性稳定流条件下水力耦合计算格式的正确性。通过厚壁圆筒水压致裂算例验证所给模型模拟水压致裂过程的能力。与同类格子模型的对比,证明该模型的优越性。

脆性各向异性岩石破坏过程数值模拟

在改进刚体弹簧方法的基础上,采用Hoek-Brown准则判断界面破坏,提出各向异性Voronoi网格的生成方法,并引入界面细观参数各向异性的赋值函数,最终建立了脆性各向异性岩石损伤破坏过程的数值模拟方法。利用该方法对文献中的试验结果进行了模拟。计算表明,该方法不仅能成功模拟岩石抗压强度随软弱面倾角变化的"U"形规律,定量上与试验结果吻合良好,而且能同时定量模拟岩石变形特性即弹性模量和泊松比的各向异性特征。

基于复杂随机裂隙网络的隧洞围岩稳定性分析

为研究改进刚体弹簧法在复杂裂隙围岩分析中的适用性,以某隧道工程为例,开展了算例验证分析。首先根据实测裂隙地质资料,采用Monte-Carlo方法生成随机裂隙网络,并通过块体搜索方法获取岩石块体信息;然后利用改进刚体弹簧方法计算围岩在开挖卸荷作用下的位移和破坏模式,并评价支护效果。计算表明,改进刚体弹簧法可以有效模拟裂隙不利组合引起的开挖边墙滑动失稳,并能准确把握边墙的渐进破坏特性,符合一般工程实践的规律。

加锚岩体细观破坏数值模拟

将端部锚杆模型应用到改进刚体弹簧方法中,建立了加锚岩体细观破坏数值模型。考虑拉裂和剪切2种破坏模式,拉裂破坏通过拉裂强度进行判断,剪切破坏通过Hoek-Brown准则进行判断。算例表明,锚杆的施加在细观尺度上遏制了张拉裂隙的产生并使剪切裂隙相应增多,显著提高岩体的单轴抗压强度,并抑制岩体的侧向变形。

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。

含张开单裂隙砂岩破裂过程围压效应的数值模拟

为研究不同倾角裂隙砂岩试样在压缩过程中的围压效应,以室内单轴压缩试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同倾角裂隙试样在不同围压下的破坏过程进行模拟。基于模拟结果,研究了围压对岩样强度、破坏模式及微裂纹发育特征的影响。结果表明,裂隙砂岩试样在压缩过程中具有明显的围压效应,相同裂隙倾角试样,其峰值强度、残余强度、弹性模量和变形模量均表现出随围压增加而增加的规律;不同围压作用下,不同倾角裂隙试样内部微裂纹演化规律相似,且其最终破坏形态均表现出以剪切破坏为主的破裂方式。

应力作用下软硬互层岩石破裂过程的细观模拟

采用数值模拟方法研究软硬互层岩石材料在不同围压条件下的压缩破坏过程。利用改进刚体弹簧方法,模拟细观裂隙的起裂和扩展过程。界面破坏准则结合莫尔–库仑准则和抗拉强度准则,能同时考虑拉裂和剪切2种破坏模式。岩石材料由以Voronoi图形为基础的块体集合表征为显式模拟结构面,提出一种分步插点的计算网格自动生成算法。对已有的典型实验进行计算,模拟得到不同围压下不同倾角数值试件的破坏模式和抗压强度。与实验结果的对比表明,改进刚体弹簧方法能够定性和定量地描述由于软硬互层结构引起的抗压强度各向异性,不同围压条件下得到的破坏模式也与实验结果吻合良好。