高地应力条件下围岩劈裂破坏的判据及薄板力学模型研究

对于处在高地应力下的脆性围岩中的地下洞室群,开挖时洞室围岩容易出现纵向的劈裂裂缝,导致脆性开裂,形成劈裂性平行大裂缝组,通常会伴有剧烈的变形破坏发生,如岩爆等,将危及工程使用的安全性。首先从劈裂裂纹的贯通机制出发,在断裂力学应力强度因子分析的基础上,根据劈裂裂纹的扩展过程确定围岩发生劈裂破坏的判据,然后通过该判据判断围岩的应力状态,确定劈裂范围,并将劈裂围岩视为薄板模型。根据柯克霍夫平板理论检验薄板模型的适用性,在薄板模型的基础上建立劈裂范围内围岩的临界应力、位移的解析计算公式。以瀑布沟水电站为工程背景,将劈裂判据编成FISH语言内嵌到FLAC3D中,计算得到围岩的劈裂破损区。在此基础上利用薄板力学模型计算其临界应力和最大位移,并与数值计算结果吻合较好,表明所提出的劈裂判据和薄板力学模型能够较准确地预测围岩劈裂破坏范围和计算劈裂围岩的应力和位移,可以为高地应力下地下工程的稳定性评价及支护设计提供参考。

断续节理岩体劈裂破坏的贯通机理研究

利用裂纹孤立原理结合裂纹线场理论,研究了压应力作用下断续节理线尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场,然后将精确弹性区应力场和脆断区应力场相匹配,进而确定脆断区长度和荷载之间的关系。利用脆断区长度和荷载之间的关系,从理论上分析了断续节理产生劈裂破坏的贯通机理,并且确定了断续节理岩体发生劈裂破坏的强度。通过和实验结果对比分析,论证了理论模型的正确性和可行性。

地下洞室围岩劈裂破坏判据及数值模拟研究

对地下洞室围岩劈裂破坏的形成机理和裂纹扩展演化模型进行探讨。根据断裂力学原理,考虑原裂纹对翼型裂纹的影响,推求压剪应力状态下翼型裂纹尖端的应力强度因子K Iwing演化方程。以金川三矿区为工程背景,根据实测的岩石力学相关参数和地质条件,数值模拟其围岩的劈裂破损区。当翼型裂纹应力强度因子K Iwing达到岩石的Ⅰ型断裂韧度KIC时,地下洞室围岩裂纹发生劈裂贯通的破坏判据,用FISH语言将劈裂破坏判据编程内嵌到FLAC3D中确定围岩的劈裂范围。研究结果表明:数值模拟结果可为地下工程的稳定性评价及支护设计提供参考。

某抽水蓄能电站地下厂房围岩劈裂破坏范围预测

对于处在高地应力脆性围岩中的地下洞室群,开挖时洞室围岩容易出现纵向的劈裂裂缝。采用滑移裂纹组模型模拟岩石在轴向压力作用下的劈裂破坏,以分析裂纹之间的相互作用。通过分别计算释放的弹性应变能,裂纹扩展耗散的能量,裂纹滑移耗散的能量,得到了高地应力下脆性岩体的劈裂破坏判据,并将该判据应用到某抽水蓄能电站的开挖计算分析过程中,为高地应力条件下地下工程开挖引起的劈裂破坏提供更加科学合理的预测判据。

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对围岩劈裂破坏区域的预测格外重要。本文从能量耗散原理出发,结合横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,得到新的自定义横观各向同性计算模型,在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行计算。在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展洞周围岩劈裂破坏区的监测,测得主厂房在进行各个开挖步开挖时主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移及劈裂破坏的情况。将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析计算结果进行对比,结果表明:大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得的主厂房下游边墙劈裂区平均深度与现场监测结果最为接近。考虑能量耗散的横观各向同性模型可较好地反映主厂房与主变室之间岩桥内部围岩位移变化趋势,与现场监测情况吻合度较高;使用摩尔库伦模型及横观各向同性模型计算得到的曲线与监测值有较大区别。根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46 mm;主厂房拱顶在开挖初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58 mm;主变室拱顶竖直位移为10.06 mm。对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反映不同开挖步时围岩内部关键点位移的变化趋势。因此,在高地应力地区地下洞室开挖时,可使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行预测与分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。

巴西圆盘劈裂破坏的近场动力学建模与分析

基于非局部近场动力学(Peridynamics,PD)理论,对含预置裂纹的混凝土巴西圆盘劈裂破坏问题进行建模分析.将结构离散为包含混凝土材料信息的粒子,引入动态松弛、分级加载和失衡力守恒等粒子系统数值算法,构建可以自然模拟脆性裂纹扩展的PD算法体系.对含不同角度单预置中心裂纹巴西圆盘的裂纹扩展过程进行数值模拟,所得结果与试验结果吻合较好,验证所提出的模型和算法正确.进一步采用该方法模拟双预置裂纹巴西圆盘劈裂破坏过程中的裂纹扩展、交汇、贯通过程,通过将所得模拟结果与试验结果进行比较分析,探究该方法处理多裂纹扩展问题的可行性.

高边墙洞室劈裂破坏机制的试验与理论及计算分析研究

高边墙洞室的劈裂破坏现象已成为影响大型水电站地下厂房施工开挖安全的重要因素。为弄清劈裂破坏现象的形成机制,以瀑布沟水电站地下主厂房高边墙洞室为研究背景工程,开展真三维高地应力条件下高边墙洞室开挖卸荷三维地质力学模型试验,揭示高边墙洞室开挖卸荷的非线性变形特征与劈裂破坏规律。在地质力学模型试验研究的基础上,建立基于应变梯度的地下洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型和岩体劈裂破坏准则,并据此依托ABAQUS软件开发地下洞室劈裂破坏计算分析程序,通过多工况数值模拟分析,有效揭示高边墙洞室劈裂破坏的产生条件和形成力学机制。研究表明:洞区初始最大主应力平行于洞轴向且其量值达到一定程度是产生劈裂破坏的重要条件;开挖卸荷过程中高边墙洞壁应力出现波峰与波谷间隔交替的振荡变化是引起劈裂破坏的根本力学成因,该研究成果为下一步进行高边墙洞室劈裂破坏防治提供了重要试验和理论依据。

FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响

柱旁充填中煤柱与充填体共同组成具有协同承载作用的煤充结构体,二者之间的界面为煤充结构体薄弱环节。界面失稳会诱发煤充结构体的整体失稳,FRP包裹可以用于增强界面稳定性。本文开展不同界面角度情形下煤充结构体的3组巴西劈裂试验(不进行FRP包裹、FRP包裹1圈和FRP包裹2圈),结合DIC和声发射监测技术,研究FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响。结果表明:(1)煤充结构体界面上所受荷载超过界面抗拉强度或界面抗剪强度时会产生界面裂纹;煤体元件或充填体元件所受荷载超过其抗拉强度时会产生拉伸裂纹;FRP包裹后,煤充结构体能够承受的荷载增加,积聚的能量不能通过界面分离释放,使得煤体元件上出现集中破坏区。(2)随着界面角度增大,界面裂纹由拉伸裂纹转变为剪切裂纹;FRP包裹后,界面裂纹的发育程度显著降低,且其脆性特征也会减弱。(3)煤充结构体应变带的扩展方向包括沿着加载方向扩展和沿着界面方向扩展2种;FRP包裹会增大煤充结构体界面的抗拉强度和抗剪强度,使得界面稳定性增强。(4)FRP包裹可以提高煤充结构体试样的AE计数,并削减试样最终发生失稳时的损伤程度。(5)FRP包裹后煤充结构体的AF-RA数据点数量增多,FRP包裹使得试样在失稳前能经历更多的裂纹产生与扩展。该研究成果有望为柱旁充填中煤充结构体的劈裂失稳防控提供理论指导。

不同界面角度煤充结构体劈裂破坏特性与机理

柱旁充填中煤柱与充填体之间的界面为煤充结构体的薄弱环节,对煤充结构体的劈裂特性具有重要影响。本文开展了不同界面角度情形下煤充结构体试样破坏的巴西劈裂试验,分析了煤充结构体试样的劈裂特性、破坏模式与受力状态,并揭示了其劈裂破坏机理。结果表明:煤充结构体可简化为由煤体元件和充填体元件共同组成的复合承载体,其劈裂力学特性与界面角度密切相关。煤充结构体试样整体抗拉强度随界面角度增加呈先增大后减小的变化趋势,表现出明显的各向异性。煤充结构体试样的破坏模式表现为:类型Ⅰ:裂纹主要沿煤充结构体试样界面扩展;类型Ⅱ:裂纹主要沿煤充结构体试样加载方向扩展;类型Ⅲ:裂纹沿煤充结构体试样界面方向和加载方向扩展。煤充结构体劈裂破坏机理体现在:界面上所受载荷达到界面抗压、抗拉或抗剪强度,使试样内部产生沿界面贯通的裂纹,发生Ⅰ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,最早产生拉伸裂纹;随着载荷持续增大,充填体元件所受载荷也达到自身抗拉强度,最终沿加载方向在试样内产生贯通型拉伸裂纹,发生Ⅱ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,产生拉伸裂纹;随着载荷不断增大,先后或同时达到界面强度和充填体元件抗拉强度,使试样内形成由拉伸裂纹和界面裂纹共同组成的贯通型裂纹,发生Ⅲ类破坏。本研究可为柱旁充填中煤充结构体劈裂失稳防控提供理论依据。

深部高应力巷道劈裂破坏数值模拟研究

针对高地应力条件下出现的劈裂破坏这一特殊的工程地质现象,采用考虑闭合效应下基于曲线扩展路径的劈裂演化模型,通过FISH语言内嵌,运用FLAC软件进行巷道劈裂破坏数值模拟研究,得到了不同地质条件下劈裂破坏深度、面积的演化图;分析了埋深、侧压力系数、体积模量、剪切模量对巷道劈裂破坏的影响规律。研究成果可为高地应力下地下工程的稳定性评价及支护设计提供参考。

基于雁型裂纹模型的高地应力巷道劈裂破坏机理分析

基于雁型裂纹模型,对高地应力巷道的劈裂破坏形成机理进行探讨.利用应力强度因子理论,分析了雁型分支裂纹尖端的应力强度因子及其主应力,结合Hoek-Brown岩石破坏准则,得到了高地应力巷道劈裂破坏的判据.将劈裂破坏判据编成FISH语言,内嵌到FLAC软件中,计算得到围岩的劈裂破坏区域.研究表明:雁型裂纹长度越长,造成的劈裂破坏区越大.雁型裂纹长度较长时,劈裂破坏区与塑性破坏区深度相差较大.由经验公式计算出的的劈裂破坏区深度与数值模拟计算出的劈裂破坏区深度接近,表明本文提出的基于雁型裂纹模型的劈裂破坏判据可为高地应力巷道的稳定性评价及支护设计提供参考.

微裂隙对深部高应力围岩劈裂破坏演化规律的影响分析

引入表征体积单元,采用考虑闭合效应下基于曲线扩展路径的劈裂演化等效连续体模型,利用FISH语言,内嵌入FLAC软件中,使方法程序化,分析微裂隙对深部高应力围岩劈裂破坏演化规律的影响。结果表明:裂隙越长,围岩劈裂破坏深度、面积越大;随着倾角的增长,劈裂破坏深度、面积先增大后减小并最终趋向于0,45°时达到最大值,倾角接近90°时,微裂隙形成自锁,劈裂破坏显著抑制;随着摩擦系数的增大,劈裂破坏深度、面积逐渐减小并最终趋向于0。

高温后大理岩动态劈裂拉伸试验研究

为了研究高温处理后的岩石材料在冲击加载速率作用下的动态劈裂拉伸性能,利用大直径分离式霍普金森压杆试验设备对经历不同高温作用冷却后的"大理岩"平台巴西圆盘试样进行不同加载速率作用下的径向冲击试验。研究了高温后大理岩的动态劈裂拉伸强度及动态劈裂破坏形式随温度和冲击加载速率的变化规律。试验结果表明,与静态劈裂拉伸强度相比,经历不同高温作用冷却后,大理岩的动态劈裂拉伸强度有明显的提高,表现出显著的冲击加载速率强化效应,同一冲击加载速率作用下,随着温度的升高,动态劈裂拉伸强度表现出先增大后减小的变化趋势;高温后大理岩的动态劈裂破坏形式受到冲击加载速率和温度的共同影响。

大型洞室边墙松弛劈裂区的室内和现场研究及反馈分析

中国西南的许多大型地下电站建在高山峡谷地区,该地区普遍有较高的初始地应力。若岩体呈脆性,则在地下厂房的高边墙常常产生劈裂裂缝区。通过室内试验、现场监测和分析方法来研究这一现象。首先,在实验室利用脆性似岩石材料块体开展三向加压然后一侧卸压的试验,来模拟高边墙的开挖状态,并观察到劈裂破坏现象。然后,利用前期提出的预测劈裂区公式判断工程岩体劈裂区的深度;同时,在一个洞室工程现场进行围岩松弛劈裂区和变形的观测,这里采用滑动测微计、高密度电法仪等仪器做测试。最后,结合工程现场的开挖进程开展反馈分析,在分析中采用最新建立的"能量耗散劈裂分析法",预测后续开挖工程引起的后期围岩变形和松弛劈裂区的发展,取得了良好效果。

岩石劈裂试验声发射特征的有限元分析

为研究岩石劈裂破坏过程中声发射的时空特征与演化规律,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,对岩石试件在不同加载条件下的准静态劈裂拉伸试验进行数值仿真模拟,并依据模拟结果,分析了加载条件对岩石劈裂破坏试验声发射特征的影响,探讨了各加载条件下巴西圆盘试验的有效性。结果表明:相较于平台加载和弧形加载,垫条加载条件下试件的声发射活动(含声发射事件累计数与声发射率)最先达到峰值,但峰值点却最低,最终劈裂破坏程度也最轻;声发射率的峰值点略提前于加载位移急剧增长的时间点,可据此预判花岗岩试件的破坏时刻,而这一特征在平台加载与弧形加载时尤为明显,在垫条加载时则不显著;平台加载与弧形加载条件下的巴西圆盘试验基本满足中心起裂条件,而垫条加载时却不满足;此外,由本文研究可知,运用ANSYS/LS-DYNA建立三维有限元模型来分析岩石劈裂试验的声发射特征是可行的,且与其他数值模拟手段相比,与实际工况更相近,普适性也更好。

破裂砂岩冲击破坏特性研究

为研究破裂岩体冲击破坏特性,采用霍普金森压杆实验装置,对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行不同应变率下单轴冲击压缩试验,对比完整砂岩试验结果表明:峰后破裂砂岩应力-应变曲线初始阶段不出现下凹现象,但内部破裂严重的试样应力-应变曲线初始阶段出现下凹现象。峰后破裂砂岩动态强度和峰值应变均随着应变率的增大而增大,而变形模量则表现出率无关性;相近应变率下峰后破裂砂岩强度低于完整砂岩强度。单轴冲击荷载作用下峰后破裂砂岩为劈裂破坏,且原有裂纹影响破裂面的扩展方向。试验结果可为研究破裂岩体动力学特性提供新的认识。

含偏心裂隙类岩石劈裂强度及破坏特征试验

为探究偏心裂隙对岩石拉伸力学性能的影响机制,利用自主设计的加工装置制备了具有不同偏心距和倾角的预制裂隙类岩石试样,对其开展平台巴西劈裂试验和非接触全场应变监测试验,并基于载荷⁃位移曲线和表面应变场演化,分析了偏心距和倾角对变形、拉伸强度和劈裂破坏的影响,揭示了拉伸强度劣化规律及劈裂破坏原因。结果表明:试样表面应变在压密和近似线弹性变形阶段基本不变,在裂纹稳定扩展和非稳定扩展阶段发生从缓慢增加到急剧增加的变化;相同裂隙倾角下,偏心裂隙试样的拉伸强度随偏心距增大而增大,且偏心距对拉伸强度的劣化影响远大于裂隙倾角的影响;预制裂隙的偏心距是影响试样劈裂破坏的主控因素,随着偏心距的增大,劈裂主破坏外的横向和竖向次生破坏越少,破坏模式越简单,可分为“Z”字型、“一”字型和中心劈裂破坏3类;拉伸应力诱使试样产生劈裂主破坏和竖向次生破坏,而横向次生破坏则由压缩应力诱发,且偏心距越小,预制裂隙尖端的应力集中对劈裂破坏的影响越显著。

高地应力条件下高边墙洞室劈裂破坏机制分析方法与工程应用研究

本文以瀑布沟水电站主厂房高边墙洞室为工程背景,开展高地应力条件下高边墙洞室开挖卸荷真三维地质力学模型试验,系统研究劈裂破坏现象的产生条件与影响因素;在地质力学模型试验研究的基础上,通过理论方法建立基于应变梯度的地下洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型,根据复变函数构建高边墙洞室劈裂破坏解析分析方法,依托ABAQUS平台开发地下洞室劈裂破坏计算分析程序。通过模型试验、理论研究和和数值模拟,有效揭示出地下洞室劈裂破坏的产生条件与破坏机制。论文主要研究成果如下:(1)通过高地应力条件下高边墙洞室劈裂破坏真三维物理模型试验,精细模拟出地下洞室开挖卸荷出现的平行分层劈裂破坏现象,揭示地下洞室劈裂破坏的产生条件与影响因素,获得地下洞室围岩位移、应变和应力呈现波峰与波谷间隔分布的振荡性衰减变化规律。(2)通过岩石破坏过程的尺寸效应与应变梯度特征分析,建立含应变梯度的可描述岩石塑性硬化和应变软化的屈服函数,基于应变梯度和塑性损伤理论建立深部洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型。(3)通过复变函数保角变换法获得由高边墙洞室外域到单位圆外域的映射函数,推导出相关位移场与应力场的复数表达形式,提出高边墙洞室劈裂破坏弹塑性解析分析方法,获得高地应力条件下高边墙洞室位移和应力的解析变化规律。(4)根据建立的劈裂破坏弹塑性损伤软化模型,提出隐式时间积分格式,构建高阶六面体单元并推导其高阶单元的形函数与刚度矩阵,提出地下洞室劈裂破坏的数值分析方法,并依托有限元软件ABAQUS开发相应的计算分析程序。(5)通过模型试验、理论分析和数值模拟,揭示出地下洞室的劈裂破坏机制,即:洞区初始最大主应力平行于洞轴方向且量值达到一定程度(0.21~0.7倍围岩单轴抗压强度)是高边墙洞室产生劈裂破坏的重要条件。当洞区平行于洞轴方向的初始最大主应力量值超过0.7倍围岩单轴抗压强度时,高边墙洞室将由劈裂破坏向分区破裂转化。开挖卸荷高边墙洞壁应力出现波峰与波谷间隔交替的振荡变化是引起劈裂破坏的根本力学成因。研究分析表明:弄清劈裂破坏范围并合理优化洞室布局对保证高边墙洞室施工和运行安全十分重要。

锦屏I级水电站地下厂房围岩变形破裂的三维损伤流变分析

锦屏I级水电站处于高地应力区,地下厂房围岩在此是表现有一定塑性的大理岩。在工程开挖后围岩和支护结构的变形开裂特征明显。针对这些特点,采用损伤流变耦合的三维模型和分析方法,结合运用裂隙张开产生的附加变形分析法,对该工程地下厂房洞室群的稳定性进行分析,将厂房若干关键点的位移量与实测值进行对比,取得了较好的结果;同时,对洞室的长期时效变形进行预测分析。

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。