硬岩CWFS模型的改进及其在岩质高边坡稳定性分析中的应用

连续介质模型(如Mohr-Coulomb等基于黏结强度组份和摩擦强度组份同时被调动的传统破坏准则)目前还不能有效预测隧道围岩脆性破坏的广度和深度。基于Mohr-Coulomb准则的黏结强度弱化–摩擦强度强化(CWFS)模型在这方面表现出良好的工程应用前景,但其在脆性硬岩高陡边坡稳定性分析中的应用研究还不多见。对硬岩的CWFS模型及其改进模型进行讨论分析,针对脆性硬岩在低围压条件下的特殊力学行为,将CWFS模型改进为黏结强度衰减–摩擦强度激活(CLFM)模型并应用到首钢水厂铁矿硬岩高陡边坡稳定性分析中。与Mohr-Coulomb准则计算结果的对比分析表明,扩帮后的边坡仍然处于稳定状态。Mohr-Coulomb准则低估了边坡的位移和坡脚的塑性区范围,高估了边坡的应力水平,与CLFM模型分析结果相比显得保守。另外,实测地应力场下的边坡位移计算结果是仅以自重应力形成的应力场下的位移计算结果的10倍左右。

基于颗粒流模拟的硬岩CWFS模型等效塑性参数优化研究

针对目前粘结强度弱化-摩擦强度强化(CWFS)本构模型中两个关键参数εpc和εpf的确定问题,以杏山铁矿-45 m水平采场区域为例,基于颗粒流理论,建立了片麻岩颗粒非均质几何模型,对片麻岩的三轴压缩试验进行模拟;结合AE声发射与PFC内置Crack数量记录程序的监测结果,对PFC模拟和室内试验的应力-应变曲线规律进行了深入分析,揭示了片麻岩破裂过程中的细观力学特性与强度参数的劣化规律。最后,借助FLAC2D有限差分软件,对εpc和εpf的取值进行了优化和验证,确定优化后的εpc和εpf取值分别为0.015和0.037。经参数优化后的CWFS模型模拟的岩石单轴压缩应力-应变曲线与室内刚性试验曲线比较吻合。研究成果对CWFS模型今后工程应用的推广有一定的参考价值。

基于循环荷载损伤定量控制的岩石CWFS改进模型研究

黏聚力强度弱化–摩擦力强度强化(CWFS)模型形式简洁且参数物理意义明确,但模型准确度和适用性欠佳。开展花岗岩(致密结晶硬岩)和粉砂岩(多孔弱胶结岩)的三轴分级循环加卸载损伤控制试验,对传统CWFS模型进行黏聚力和内摩擦角方程、剪胀角方程、横纵应变比方程3个方面的改进。首先,优化模型应力水平定量表征点并统一塑性参数以准确获取模型参数定量结果;而后,适应岩石试验黏聚力弱化和摩擦力先强化后弱化的特征结果,引入强化和弱化控制系数,构建非线性黏聚力和内摩擦角方程;最后,对应屈服阶段的非线性剪胀和屈服前弹性阶段的显著非线性横向变形,分别建立非线性剪胀角方程和横纵应变比方程。适用性验证结果表明,改进后的CWFS模型可准确适用于试验花岗岩和粉砂岩,亦可准确适用于北山花岗岩和砂岩,能够合理地描述岩石全应力–应变过程中的应变软化、剪胀扩容和弹塑性应变演化规律,较传统CWFS模型准确度和适用性均有显著提高。

基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化模型对大型地下洞室群围岩稳定性的影响

岩体的峰后强度对大型地下洞室群围岩开挖变形稳定具有较大影响。针对此问题,采用基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化(cohesion weakening and friction strengthening, CWFS)模型并以动态链接库(dynamic link library, DLL)的形式植入FLAC~(3D)程序中,针对依托工程的大型地下洞室群围岩开挖稳定性,开展考虑围岩开挖损伤和不考虑损伤的开挖全过程模拟。通过分析围岩的变形、应力、塑性区与损伤区的规律及其与现场监测数据的对比,研究开挖损伤对围岩稳定性的影响。结果表明:考虑围岩开挖损伤相对于不考虑损伤时,围岩应力释放程度较高,不利于地下洞室群的稳定;围岩塑性区和变形在主厂房顶拱与边墙等区域增加至1.5~2.0倍。CWFS模型能有效反映围岩塑性屈服的诱因,即损伤系数在0.5~1.0范围内为开挖卸荷导致的屈服,损伤系数在0~0.5范围内为开挖损伤导致的屈服;采用该模型得到的围岩开挖变形在量值上与采用多点位移计得到的现场监测值相近,变化趋势基本相同,不考虑围岩开挖损伤时得到分析结果相对于实际工程偏危险。

南水北调西线TBM掘进下隧洞围岩损伤研究

为研究隧洞掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进下隧洞围岩的损伤特征,选取南水北调西线工程为背景工程,针对隧洞围岩TBM掘进后的损伤进行了系统的研究与分析。根据板岩在室内试验中表现出来的脆性和屈服后强度特性,提出了以黏聚力弱化-摩擦角强化(cohesion weakening and frictional strengthening,CWFS)脆性模型为基础考虑岩体屈服后损伤的本构模型,通过VC++编译dll动态链接库,并将其植入FLAC3D程序中。应用神经网络和遗传方法等优化算法对本构模型中的参数进行了反演分析,并以室内三轴压缩试验为依据,对该本构模型进行了验证。结果表明,提出的考虑损伤的CWFS模型可以较好地反映板岩的弹性特征、屈服后的强化特征、脆性破坏特征和破坏后残余强度特征。以该模型为基础,模拟了南水北调西线隧洞在TBM掘进条件下隧洞围岩的变形特性、应力发展规律及其损伤演化特征,并与基于Mohr-Coulomb本构关系的计算结果进行了对比分析。提出的考虑损伤的CWFS模型能更好地反映隧洞掘进后围岩损伤特征,即损伤沿着弱势区域发展的规律。

锦屏大理岩力学特性试验及其数值模拟

采用锦屏大理岩进行三轴压缩过程中力学特性室内试验,并从岩石细观力学角度对其力学特性成因进行探讨。在此基础上通过引入两个参数,进一步建立了能够反映大理岩全应力-应变过程中强度变形特性的黏聚力弱化-摩擦角强化(CWFS)改进模型,并采用试验结果对该模型进行验证。研究结果表明:(1)随着围压的增大,锦屏大理岩表现出明显的脆-延-塑性转换的峰后力学特性,峰值强度与残余强度之间的差值呈单调减小的趋势,应力-应变曲线中由峰值强度向残余强度跌落段曲线的斜率逐渐变缓;(2)高围压条件下岩石裂隙之间的摩擦力、岩石内部材料的均匀化程度是导致大理岩表现出脆-延-塑性转换的峰后力学特性的主要原因;(3)黏聚力弱化-摩擦角强化改进模型能较好地描述大理岩全应力-应变过程的强度、变形特征,且模型参数物理意义明确,易于获得。