非连续变形岩石断裂分析中的一种全长剪切锚杆

锚杆从锚固方式上可划分两种:端部锚固方式和全长锚固方式。全长锚固锚杆作为工程支护中的一种重要锚杆类型,具有广泛的应用前景。非连续变形分析(DDA)以及在此基础上发展的非连续变形的岩石断裂分析(DDARF)方法中锚杆为端锚形式,且只考虑了锚杆的轴向作用,而忽略了锚杆作用力对锚固岩体的侧向限制。为了更好地理解锚杆的支护机制,考虑锚杆的剪切作用,提出了DDARF中一种新的锚固形式——全长剪切锚杆支护形式。用改进的全长剪切锚杆支护方法对一公路隧道稳定性进行了分析,并与端锚支护形式进行了对比,结果表明,提出的全长剪切锚杆支护方法是有效的,锚固效果比端锚支护更好。

用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展

提出一种用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展的方法。将计算区域自动剖分成三角形块体单元,块体边界分为真实的节理边界和虚拟节理边界。裂纹扩展沿虚拟节理进行,按照界面破裂准则进行裂纹扩展分析。该方法可以模拟裂纹萌生、扩展、贯通和岩体破碎全过程,适用于完整岩石、断续岩体乃至完全不连续岩体等任意情形。由于该方法基于离散颗粒数值模型,其计算过程不会遇到数学上的困难。根据所提算法,编制VC++程序模块,并计算几个算例。模拟结果与已有的物理、数值试验结果吻合得较好,表明所提算法是有效的。

岩石破坏非连续变形分析弹脆性本构模型的二次开发

岩石非连续变形分析方法DDARF成功实现了模拟岩体裂纹萌生、扩展、贯通、破碎的全过程,但算法只考虑了岩体的线弹性本构模型,没有分析岩体的非线性应力-应变关系。为更符合真实岩体工程,同时扩展岩石非线性本构模型的应用范围,分别采用摩尔-库仑强度准则和最大拉应力强度准则对岩体进行剪切和拉伸破坏判断;对理想弹脆性本构模型进行算法分析,并在VC++平台下程序实现;对"自定义"的岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型与室内单轴压缩试验进行比较分析;将岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下洞室开挖,并与线弹性本构模型进行对比。结果表明,非连续变形分析方法中自定义岩体弹脆性本构模型是可行的,它能够反映岩体变形的非线性特征,与室内试验吻合度较好;非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下工程,能更安全且真实地分析洞室围岩的稳定性,进而更好地指导地下洞室的防护措施。

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。

破裂全过程模拟的改进非连续变形分析方法

研究工程岩体中裂纹的萌生、扩展和贯通机制以及后续沿着软弱结构面的滑动机制对于揭示岩体变形和破坏规律具有十分重要的意义。非连续变形分析(DDA)方法对于模拟由宏观结构面切割而成的离散块体系统的滑动变形具有与生俱来的优势,但在模拟岩体由连续到非连续的破坏演化过程方面存在不足。通过引入虚拟节理技术将连续区域离散为子块体,并设定虚拟节理强度为岩石本身强度的方式,在一定程度上加强了DDA对于岩体连续特性的模拟。但这种方式仅考虑虚拟节理达到抗拉强度之前的黏结作用,而忽略了岩石应力-应变全过程曲线中应变软化阶段的强度。因此,通过在子块体间插入一种能够描述岩石应变软化阶段的应变软化黏结单元的方式对上述不足进行了改进,进一步加强了DDA对于岩体连续特性的模拟,并保留了DDA在非连续变形模拟方面的优势。最后,将其应用于求解几个典型的破裂问题。结果表明,模拟的破裂路径与参考解较为一致,证实了改进DDA方法的有效性和正确性。

非连续变形分析(DDA)中断续节理扩展的模拟方法研究和试验验证

在非连续变形分析方法中,可用虚节理表示岩石破坏过程中潜在的破坏路径,因此断续节理中节理面开裂、扩展、贯通过程认为是虚节理(岩桥)向实节理转化的过程,这一过程伴随着虚节理(岩桥)力学性质参数的弱化,且弱化程度受到虚节理向实节理转化程度的影响。因此,利用表征虚节理向实节理转化程度的虚节理连通率对虚节理力学性质参数的弱化规律进行研究,得出力学性质参数弱化函数;在此基础上对Jennings强度准则和最大抗拉强度准则进行处理,提出应用于非连续变形分析计算的断续节理强度形式;最后,将虚节理力学性质参数弱化规律和处理后的断续节理强度表达式运用于非连续变形分析计算程序中,实现对断续节理扩展过程的模拟算法。并通过剪切试验计算结果与室内试验结果的比较,验证该算法的正确性。

耦合无网格法的非连续变形分析法研究

非连续变形分析法(DDA)的线性位移模式,仅能描述常应变块体单元,实际应用中往往显得不够精确,有时甚至会引起很大的误差。为此近来先后引进诸多改进方法,如直接提高块体位移模式的阶数、在块体内部划分子块体并增设节理单元以及采用有限元插值等,也都存在缺陷。无网格法具有许多有效的插值模式,尝试引进无网格迦辽金中采用的移动最小二乘法(MLS)插值,来表达块体位移及应力场,为此在块体内布置离散的插值节点,用MLS建立块体内任意点位移近似函数代替原DDA位移表达式,并遵循原DDA的一些基本过程,包括:根据能量极值原理建立平衡方程、隐式求解、按时间步迭代统一求动静力问题、根据开合迭代模式检查可能接触类型等。数值算例表明,耦合无网格法的DDA能有效计算块体应力场,对块体系统的计算结果明显优于原线性位移模式。

基于非连续变形分析的岩体断裂破坏过程研究

工程修建会破坏岩体结构,导致岩体结构的稳定性下降,因此需要对其检测,以保证工程施工的安全性;在此背景下,研究基于非连续变形分析的岩体断裂破坏过程;该研究以某隧道工程对山体的破坏为例,分析了该处岩体结构特征;利用探地雷达技术获取岩体裂隙的非连续变形参数,构建岩体的非连续数值模型并将变形参数插入到模型当中;对模型施加荷载,模拟分析岩体的非连续变形情况并量化岩体断裂破坏程度,包括裂隙的发展、岩体的位移以及稳定性系数,实现岩体断裂破坏过程自动检测;结果表明:裂隙均沿着虚拟节理持续扩展,最终将整个岩体分割为了三个块体,其中有两条裂隙形成了贯穿裂,使得岩体发生断裂;块体1、块体2的断裂破坏过程主要发生在垂直方向;块体3的断裂破坏过程主要发生在水平方向;岩体整体稳定性在逐渐下降,从最初的基本稳定到100 d时之间下降到稳定性差的程度。

岩质边坡倾倒破坏的非连续变形分析

岩质边坡倾倒破坏存在块体的滑移、转动,及块体本身的折断。常规的离散元、非连续变形分析方法(DDA)虽然擅长处理块体的滑移和转动,但不能模拟连续体本身的破坏。然而通过在DDA方法中引入虚拟节理和真实节理的概念(即DDARF方法),用真实节理表征岩体中已经存在的天然节理、层面等,用起粘结作用的虚拟节理表征连续体。该方法可模拟连续体的变形及连续体的破坏。为此,首先对DDARF方法中的虚拟节理模型进行了着重的介绍。然后利用DDARF方法对龙滩边坡倾倒破坏的离心模型试验进行研究。研究结果表明,反倾块体的下部几乎没有明显的位移,而位于破坏面以上的部分产生明显的倾倒位移,导致在反倾块体的中部发生弯折破坏,形成贯通整个坡体的破坏面。数值模拟结果与离心模拟试验结果吻合得很好,验证了DDARF方法的有效性。

岩石裂隙中非恒定渗流与变形耦合作用的DDA方法

由于渗流作用,会在岩石裂隙中形成非稳定流,非稳定流作为裂隙表面荷载会使岩体产生变形,变形又会影响岩土结构的渗流特性,从而产生渗流和变形耦合的作用.根据最小能量原理构造出单元DDA(不连续变形分析)瞬时平衡方程.编制了基于DDA的岩石裂隙中稳定渗流和不稳定渗流压力水头的有限单元计算程序,通过对实验结果与计算结果的比较,验证了计算程序所使用的数学模型的可靠性.地下水是影响边坡受力变形及稳定性的一个重要因素.通过对某隧洞破坏过程的模拟,用这种渗流-变形耦合DDA法研究了地下水对裂隙边坡稳定性的影响.模拟结果与实际发生的结果一致,验证了本文方法的可靠性.

锦屏一级水电站猴子崖边坡三维非连续变形数值模拟

利用5m等高线建立真实的三维地质模型,对锦屏一级水电站右岸下游河道猴子崖边坡进行了三维非连续变形数值模拟,计算比较了在天然状态和泄洪雾化雨作用下坡体内及结构面上的应力、变形及塑性区分布情况,分析了边坡可能的滑动趋势及滑动范围。计算结果表明,猴子崖边坡在天然状态下即具有较明显的块体失稳范围,其范围与前期地质判断基本一致。在泄洪雾化雨作用下,坡体应力场逐渐恶化,块体失稳边界形成,通过对位移场的判断,可进一步明确失稳块体的范围。结构面和坡体节理方向塑性区有较大扩展,块体具有明显的失稳下滑趋势,需要对该部分岩体加强支护,做好防排水措施。

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例,应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究,重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明,当水平初始应力增加时,洞室围岩位移量相应增加,由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点,使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小,且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室,陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利,在一定的岩体结构条件下,围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下,降低结构面强度参数,洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态,围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。

裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和–非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响。因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的——DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例。计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大。仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践。

岩石非均匀特性的DDA方法模拟

采用非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法,根据Weibull分布函数引入岩石细观非均匀性模型,对巴西圆盘的劈裂实验进行计算机模拟。在非均匀性模型中考虑弹性模量、泊松比和强度参数的非均匀性。非均匀圆盘和均匀圆盘模拟结果的对比表明,非均匀模型的引入使得细观尺度下采用线性本构能够得到岩石的宏观非线性力学响应,并且非均匀性的引入使得岩石表现出更低的宏观强度特性。通过对比只考虑弹性模量、泊松比的非均匀性和同时考虑弹性模量、泊松比和强度的非均匀性的模拟结果,发现考虑强度非均匀性的巴西圆盘宏观强度更低且裂纹的产生更加分散。研究工作有助于对岩石非均匀和非线性特性的理解及其数值模拟分析。

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。

基于显式时间积分的非连续变形分析方法

非连续变形分析(DDA)方法非常适合应用于模拟高度离散化的岩石块体系统的力学行为。然而,传统采取隐式时间积分方案的DDA方法,在运算过程中需要集成总体刚度矩阵和求解矩阵方程,这直接导致计算效率的降低,尤其在求解大规模非连续问题时。因此,提出一种基于显式时间积分的二维显式DDA方法。在求解过程中,不需要集成总体刚度矩阵和求解大型代数方程组。在求解加速度时,由于采用协调质量矩阵,可以分块求解,求解过程简单省时。仍沿用原DDA的开闭迭代算法,可确保块体间约束的准确施加,保证了求解精度。最后,通过几个典型算例,证实显式DDA的正确性和鲁棒性。

爆炸应力波作用下岩石双孔爆破的数值模拟

为探究岩石双孔爆破破岩过程,采用DDA方法模拟爆炸应力波作用下的双孔凿岩爆破。结果表明:在相同岩石参数条件下,当仅对其中一个炮孔进行加载时,未加载炮孔的存在将影响模型中裂纹的产生与扩展,从而减小岩石的破坏区域和破坏程度;当两个炮孔均加载时,与同步加载相比,延时加载能够减小岩石破碎区域和减少爆破区域以外次生裂纹的产生,并减小爆破震动。该研究分析了模型中应力波的传播过程及其对爆破模拟结果的影响,揭示了爆炸应力波作用下的双孔爆破破岩过程与机理。

交叉节理类岩石裂隙扩展规律研究

交叉节理是岩体工程中普遍存在的一种不连续体,其裂隙扩展对岩体工程的安全具有重要的影响,研究交叉节理类岩石裂隙扩展规律,可为岩体工程安全施工和稳定性分析提供参考依据。文章基于相似理论,以砂岩为原型,通过多组配比试验选配抗压强度为1∶1的类岩石试件,并分别对单、双X型节理试件进行单轴压缩试验,研究单向加载条件下交叉节理的裂隙扩展规律,采用非连续变形分析方法(DDARF)对裂隙扩展过程进行数值模拟,并与室内试验进行对比。结果表明:单X型节理岩体裂隙扩展会以某一条节理为起裂节理,并沿起裂节理迅速扩展,释放能量达到新的平衡;对于双X型节理岩体,某组X型节理会起主控作用,直到试件破坏。DDARF可以较好地模拟裂隙的扩展路径,与室内试验相辅相成,共同揭示交叉节理的裂隙扩展规律。

三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法,目前在二维问题的计算中应用较多,但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用,因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难,就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析,指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上,给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明,该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题,能够正确判断三维块体之间的接触关系,从而模拟块体之间的错动滑移过程。