随机形貌岩石节理剪切-渗流数值模拟和剪胀-渗流模型

采用Hurst指数的独立分割方法构造随机形貌岩石节理剖面,基于岩石节理的CY模型构建随机形貌岩石节理剪切-渗流计算模型和数值分析方法,为研究岩石节理的剪切-渗流响应提供了理论参考。采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨剪切作用下随机形貌岩石节理剪切-渗流响应。结果表明:节理粗糙度越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;剪切过程中的节理渗透系数呈平稳增长—快速增大—渗流稳定3阶段变化,在剪切最开始短暂时候,节理剪缩使渗流偏离立方渗流准则,节理渗透系数与法向应力具强耦合关系。引入剪胀等效节理水力隙宽,建立岩石节理的非线性剪胀-渗流模型,合理地描述了不同粗糙度节理剪切过程中的剪胀效应及其对节理渗透系数的贡献。

随机形貌岩石节理剪切破坏分析

基于三维高精度形貌扫描技术和节理剪切试验及数值模拟,研究随机形貌岩石节理剪切的节理表面破坏过程及机理。利用自定义参数(节理面破坏量Vd、破坏增量Vd-inc)定量分析节理面破坏过程,并基于节理表面破坏特征将随机形貌岩石节理剪切破坏过程细化为6个基本阶段。研究结果表明:节理表面破坏开始于破坏起始阶段,主要发生在整体破坏阶段,节理面整体破坏阶段的破坏量占整个剪切过程总破坏量的70%以上。节理表面破坏主要为剪胀伴随凸起体顶部剪断和沿凸起体根部剪断,前者比后者更迅速。节理面凸起体根部易产生拉伸裂纹,但整体破坏形式以剪切破坏为主。

基于有限元的三维随机形貌结合面接触分析

机加工结合面表面形貌是三维的、随机的,传统的基于微凸体的接触模型由于进行了大量假设,其结论只能在较为苛刻的条件下成立。据结合面三维形貌测量得到的数据,重构出不同材料、加工方式的表面,采用有限元法建立了随机表面的接触模型,通过接触分析来获得了下结合面法向变形量随外载荷的变化规律,并推导出单位面积上结合面法向刚度系数的表达式。结果表明,结合面法向变形量与法向载荷基本符合幂指数函数关系;表面加工方式的不同对于结合面接触性能的影响较大,磨削表面的法向变形量明显小于铣削表面;除铸铁铣削表面外,其他结合面的法向刚度系数趋于稳定,彼此之间相差不大。