应力波通过非线性平行节理的能量分析

应力波在节理岩体中传播规律的研究是开展地下工程安全性分析的基础。着重研究纵波(P波)以任一角度入射一组非线性平行节理的能量传递规律,其中节理的法向模型采用双曲线型的BB模型,而节理的切向模型为线性模型。首先,基于应力波在时域内的递归分析方法,建立P波通过某一岩体的应力波传播方程,其中该岩体中存在一组非线性平行节理;其次,通过计算应力波通过该岩体前后的透反射能量,分析应力波能量大小的改变;最后,引入透射能量系数与反射能量系数,对影响能量传递的因素开展参数分析,即研究节理的初始刚度、间距、数量以及应力波幅值、频率和入射角度等因素对P波能量传递规律的影响。研究表明,应力波在节理处的能量传递规律不仅与节理的力学特性有关,而且也和节理的空间分布相关,且当应力波的物理特性如频率和波幅发生改变时,能量传递规律会出现不同的变化。

剪应力作用下Ⅱ型平行节理扩展模式的分叉研究

利用伪力法考虑了剪应力作用下Ⅱ型平行节理之间的相互作用,提出利用节理的长度和间距之比,λ=a/H,来确定平行裂纹发生分叉的条件。从理论上研究了2条,3条和任意多条平行节理在剪应力作用下的分叉。对于2条平行节理,当节理的长度和间距之比λcrp大于0.816 497 5时,节理的扩展模式要发生分叉;对于3条平行节理,当节理的长度和间距之比λcpr大于0.717 572 8时,节理的扩展模式要发生分叉;对于无穷多条平行节理,当节理的长度和间距之比λcrp大于0.636 638 5时,节理的扩展模式要发生分叉。计算了2条到150条平行节理的分叉问题,结果表明节理数越大,节理发生分叉时节理的长度和间距之比越小。

低速冲击下平行节理岩石能量传递及动力学特性

用水泥砂浆材料模拟岩样并人工形成节理裂隙,通过分离式霍普金森压杆(SHPB)实验,研究不同节理间距试件在相似冲击速度下的能量传递规律、强度特征和破坏形态,进而探究冲击速度对双平行节理试件能量传递及破坏形态的影响规律.试验结果表明,相似低速冲击下,节理间距影响类岩石试件中反射波能量、透射波能量、耗散波能量的占比,节理间距越大,破碎块度越小;平行节理试件的各能量传递规律与冲击速度密切相关,能量耗散比可表征试件的宏观破坏特征;损伤变量d与冲击速度呈弱幂函数增加关系,满足d=e(-0.148-0.0101/(v-3.103)),试件破坏时的损伤值约0.72.研究结果为地下工程多节理裂隙软岩的开挖支护及稳定性研究提供参考.

两条粗糙平行节理表面形貌对应力波能耗的影响研究

基于图形图像学与分形几何交叉学科理论,提出了一种用于描述节理面形貌的新方法—YUV维数法,该方法可替代传统分形维数且有其优势。在此基础上,通过对含两条粗糙平行节理岩石的SHPB试验,探讨了两条节理面形貌(以YUV维数描述)对应力波能耗的影响规律。研究结果表明:YUV维数法是一种新型表面描述方法,相对传统自相似图像维数有其优势;当两条节理YUV维数或节理YUV维数之和增大时,节理能耗值随之增加。出现上述现象的机理是:当节理面YUV维数增大时,岩石节理刚度相应减小,导致应力波穿越节理的能力降低,造成应力波能量耗散值增大。另外,能耗与YUV维数间呈现一种非线性关系,这种非线性关系是由节理的非线性变形所引发。为了工程应用之目的,同时给出了能耗与两条节理YUV维数间的二元函数关系。

平行节理岩体的围岩稳定性DDARF分析

利用非连续变形分析岩石断裂方法(Discontinue Deformation Analysis for Rock Failure,DDARF)数值模拟技术对平行节理岩体试件进行理论分析和数值模拟,研究了不同侧压力状态和原生裂隙角度等物理参数对剪切破坏和峰值强度的影响程度,指出侧压力和裂隙角度是岩体发生剪切破坏的主要原因。依据实际地下工程情形,建立具有平行节理岩体的地下洞室模型,并利用非连续变形分析方法(Discontinue Deformation Analysis,DDA)模拟地下洞室开挖过程围岩结构位移和稳定性分析,研究结果表明,平行节理岩体在不同地应力条件和裂隙角度下对洞室周围岩体稳定性具有不同程度的影响。

含有双组平行节理岩块裂纹扩展的DDARF分析

为了研究岩块中含有的双组平行节理在岩块受力过程中的开裂、扩展情况,以及扩展过程中对于岩块内应力的影响,使用DDARF模拟了含有双组平行节理的试块的单轴压缩试验,得出了双组平行节理角度为30°时试块最不容易发生破坏,节理角度为60°时试块最容易发生破坏的结论。

双组平行节理围岩的稳定性分析

为了研究含有不同角度双组平行节理时围岩的稳定性,本文使用DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure)新方法模拟了含有双组平行节理围岩的地下洞室开挖过程,双组平行节理的角度分别取30°、45°和60°三种工况进行试验,由试验得到了洞室开挖完成后的破损情况和拱顶、边墙、底板的关键点位移,分析该结果可以得出双组节理角度为60°时洞室围岩的稳定性在三种工况中最差的结论。

节理岩体的一维动态等效连续介质模型的研究

基于黏弹性理论,提出平行节理岩体的一维动态等效连续介质模型,该模型适用于纵波(P波)垂直通过一组等间距平行节理岩体的动力学问题。该模型包含黏弹性介质模型和虚拟波源概念。黏弹性介质模型主要描述应力波通过节理的衰减和时间的滞后;而虚拟波源的概念则描述应力波在平行节理之间的多次反射。根据已有解析解可以确定黏弹性介质模型中的未知参数。通过和位移不连续方法的比较,验证平行节理岩体的一维动态等效连续介质模型的正确性;该模型可有效地应用于研究通过一组平行节理岩体的P波传播问题。结果表明,该研究可以简化应力波传播问题的复杂性。

节理岩体中纵波传播特性数值研究

利用通用离散元程序(UDEC)研究应力波在单个和多个平行节理中的传播规律,为了简化问题,其中的应力波为垂直节理入射的P波.数值模拟的结果表明,在单个节理的情况下,透射系数的大小只与节理的法向刚度有关,而与节理的剪切刚度和内摩擦角无关;在多个平行节理的情况下,节理数影响应力波的透反射情况,节理数增加,透射系数随着节理间距减小的变化值增大.

不同侧压对于节理岩体特性和洞室稳定性的影响

利用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)方法对含有45°平行节理的试块进行了双轴压缩数值模拟试验,分析了侧压不同对于原生裂隙起裂和试块破坏的影响,得出了侧压会抑制原生裂隙的开裂和试块的破坏的结论;为了与完整岩体做比较,建立了相同尺寸和参数的完整岩体的试块模型,做了同样的双轴压缩试验,得到了45°节理岩体和完整岩体的包络线和包络线方程,两者的包络线可分别得到对应的c、φ值,可分别建立45°节理围岩和完整围岩的地下洞室模型,用Flac-3d程序模拟了两种洞室的开挖过程,并得到了两种洞室开挖完后的塑性区面积和关键点位移,通过比较可以得出节理对围岩的稳定性影响颇大的结论。

非贯通非共面凝灰岩节理岩体各向异性及其能量特征分析

通过预制平行非贯穿节理试件进行单轴压缩试验,系统研究在节理倾角和节理间距组合形式下,对岩石试件的应力-应变曲线、峰值强度、变形参数、能量特征等的影响。试验研究发现:(1)平行节理岩体强度和变形曲线随节理倾角都呈现U型,当节理倾角为60°时,岩石单轴抗压强度取得最小值,表现出强烈的各向异性,随着节理间距的增大,岩石的单轴抗压强度逐渐增大;(2)试件破坏模式主要与节理倾角有关,在倾角为30°、45°时为张拉破坏或者张剪破坏特征,在倾角为60°时表现出剪切破坏特征,倾角为75°时为张剪破坏;(3)岩石在变形各阶段中吸收能量与耗散能成非线性增长,弹性应变能呈现先增加后减小,能量曲线随节理间距成指数增加关系。

Influence of void space on microscopic behavior of fluid flow in rock joints

Advanced microfluidic technology was used to examine the microscopic viscous and inertial effects evolution of water flow in rock joints. The influence of void space on fluid flow behaviour in rock joints under different flow velocities was experimentally investigated at the micro scale. Using advanced fabrication technology of microfluidic device, micro flow channels of semicircular, triangular, rectangular and pentagonal cavities were fabricated to simulate different void space of rock joints, respectively. Using the fluorescence labelling approach, the trajectory of water flow was captured by the microscope digital camera when it passed over the cavity under different flow velocities. The flow tests show that the flow trajectory deviated towards the inside of the cavity at low flow velocities. With the increase in flow velocity, this degree of flow trajectory deviation decreased until there was no trajectory deviation for flow in the straight parallel channel. The flow trajectory deviation initially reduced from the void corner near the entrance. At the same time, a small eddy appeared near the void corner of the entrance. The size and intensity of the eddy increased with the flow velocity until it occupied the whole cavity domain. The gradual reduction of flow trajectory near the straight parallel channel and the growth of eddy inside the cavity reflect the evolution of microscopic viscous and inertial forces under different flow velocities.The eddy formed inside the cavity does not contribute to the total flow flux, but the running of the eddy consumes flow energy. This amount of pressure loss due to voids could contribute to the nonlinear deviation of fracture fluid flow from Darcy's law. This study contributes to the fundamental understanding of non-Darcy's flow occurrence in rock joints at the micro scale.