不同形貌节理的剪切强度和闭合变形研究

本文分析了节理的表面形貌特征，研究了不同形貌成分对节理剪切强度的不同作用，提出了能适用于３种不同表面形貌特征的节理剪切强度公式，并分３种情形建立了节理的闭合变形模型，对节理组合形貌含有周期性波纹度的节理的闭合变形模型也作了探讨。     

裂隙隙宽随剪切位移发展的演化规律研究

对单裂隙水流传输特性的研究是裂隙网络相关研究的基础,其水力传导系数取决于裂隙面粗糙度、接触率及隙宽开度分布情况。模拟了裂隙隙宽随剪切位移变化的空间分布规律,通过计算机程序生成不同粗糙度的裂隙面,并探讨了裂隙开度、接触率与剪切位移、裂隙面分形维数的关系,得出结论:法向应力不变情况下,裂隙的隙宽均值和接触率随着剪切位移的增大而增大;相同剪切位移下,分形维D值越大,隙宽均值与接触率也越大;且接触部分均由剪切初期的分散状态逐渐发展到片状分布状态。更多还原     

考虑接触特征的节理峰值剪胀角新模型

节理形貌是峰值抗剪强度的重要影响因素。基于接触理论,考虑压剪作用下节理的接触特性,且剪切时受到的阻力只是一小部分较陡的区域提供的,提出了一个新的粗糙度指标。新指标以三角形微元面积为权重,计算有效接触区域内的平均视倾角■。基于三种不同形貌的扫描试验和15组节理直剪试验,由经验拟合公式A(σ_n)=4.7σ_n/(σ_cσ_t)计算得到的有效接触平均视倾角■可以很好地与峰值剪胀角联系起来,与峰值剪胀角试验值相比发现相对误差为14.3%。新模型综合考虑了节理的接触特征与剪切特征,且数学形式物理意义明确,更容易理解,同时具有较好的预测精度,为进一步研究节理抗剪强度模型提供了参考。     

锁固段对红砂岩锯齿节理面剪切特性影响因素研究

为了探究锁固段对锯齿节理面剪切特性的影响规律,采用3D雕刻技术制作了不同数量锁固段(2～4个)的红砂岩锯齿节理面,并进行了不同竖向应力和不同起伏角条件下的节理面直剪试验。试验结果表明:节理面直剪试验的剪切应力-位移曲线可划分为4个阶段,即,峰前线弹性阶段、峰前非线性阶段、峰后软化阶段、峰后残余阶段;节理面峰前线弹性阶段和峰前非线性阶段的剪切刚度以及破坏时的峰值剪切强度不仅与锯齿的起伏角和节理面所受的竖向应力有关,还与节理面上锁固段个数有关;锁固段个数对节理面的内摩擦角影响较小,但是深刻地影响其黏聚力剪切作用的发挥;而节理面的残余强度则只与节理面所承受的竖向应力有关,与其初始形貌特征无关,符合摩擦作用规律。基于拉应力和切应力破坏准则,得到了节理面峰值剪切强度与起伏角的关系,而且理论分析还建立了起伏角与锯齿节理面破坏模式之间的内在联系,预测结果与试验结果相符,可为后续节理面剪切特性的研究提供相应的理论基础与参考借鉴。     

不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的颗粒流模拟

为了探究不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的裂纹扩展过程及破坏模式,基于颗粒流方法,对试样施加不同法向应力,并探讨了预剪面应力演化过程。研究结果表明:根据微观裂纹的张、剪属性及其演化过程,岩桥破坏模式大体可分为5类,且与法向应力和节理面粗糙度密切相关,法向应力、节理粗糙度的增加都会促使岩桥向剪切破坏方式转变;初始翼裂纹与原节理面的夹角对法向应力变化不敏感,而随着节理粗糙度的增加而减小;在剪切过程中,预剪面上的应力分布不均匀且不断进行重分布,对于平直节理岩体剪应力主要由岩桥承担,且无论水平向还是法向,岩桥部分压应力均大于节理部分;而对于粗糙节理岩体,剪应力由节理和岩桥共同承担,且节理部分的应力均高于岩桥部分。研究成果对进一步明确断续节理岩体的力学参数有参考价值。     

基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,围岩应力与水力耦合作用导致的裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。结果表明：洞室开挖完成后,在围岩渗流与应力耦合作用下,围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量的变化是一个动态过程,且相互作用与相互依赖;裂隙的闭合使得结构面水力梯度变大,作用在裂缝上的渗透压力增大,促进导水裂缝扩展,裂隙连通性增加;裂缝张开度增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低;由于围岩中裂隙隙宽、压力和渗流量的动态依赖性,在一定条件下,裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成,高压水头从局部涌出,从而促进突水灾害的形成。研究成果初步表明了所采用方法的有效性,并为研究裂隙岩体中开挖洞室引起的突水问题提供了潜在的研究方向。     

花岗岩单节理剪切-渗流耦合特性试验研究

在介绍JAW-1000型岩石单节理剪切-渗流耦合试验系统的结构和各项功能的基础上,应用该系统对4组花岗岩节理试件进行了常法向荷载和常法向刚度2种条件下的剪切-渗流耦合试验,分析花岗岩节理剪切过程中的剪切应力、法向位移及水力开度的变化规律。结果表明,花岗岩节理的剪切应力、法向位移及水力开度均呈现2个阶段的变化规律;随着剪切次数的增加,节理面的峰值剪切应力及残余值降低,剪胀点延迟,节理面的初始水力开度显著提高,法向位移和水力开度变化曲线逐渐趋于平缓。     

单裂隙辐射流节理面破坏过程水-力耦合研究

为研究单裂隙辐射流受外力和渗流力作用破坏过程的水-力耦合特性,采用预制柱形节理试件进行试验,并结合数值模拟进行综合分析。结果表明,节理破坏包括剪切接触和损伤滑移摩擦2个阶段,法向压力增大引起剪应力增大和裂隙开度减小,剪应力存在连续波动的波峰与波谷,优势水力通道的"U"形分布范围出现小幅扩散;水压力能缓冲节理破坏并带走细小颗粒,增大等效渗透系数,提升裂隙渗透能力,入口水压力增大引起剪应力减小;碎屑充填物主要分布在优势水力通道范围之外,既能影响裂隙的渗透能力,又在一定程度上作为缓冲区保护节理面不被继续破坏。     

填充节理直剪试验颗粒流模拟

针对天然节理岩体的安全问题,为了揭示填充物对节理剪切特性的影响规律,通过颗粒流程序(PFC)建立了填充节理试样,对岩石的宏观力学参数进行了标定,并编制了能够施加恒定法向压力的伺服模块和裂纹扩展监测模块。对比了填充节理与闭合节理的剪切特征差异,设置了8种不同填充度和4种不同法向应力方案。结果显示:因填充物在"岩石-填充物-岩石"接触效应中起到了缓冲作用,填充节理的剪切强度和破坏程度小于闭合节理。当填充度为0.25时,剪切应力峰值在5 MPa和14 MPa时为11.61 MPa和21.10 MPa,相比闭合节理分别降低36.86%和32.38%。这表明填充物对节理的剪切强度的影响不容忽视。随着节理填充度的增加,剪切强度非线性降低,并逐渐接近填充物自身的剪切强度;随着法向应力的增大,剪切强度线性增加。试样破坏图示和裂纹数量化结果表明,填充度的增加能够弱化试样的破坏而法向应力的增大能够加剧试样的破坏。进一步考虑了填充物摩擦性质的差异,发现其对试样的剪切强度和裂纹发育均有所影响。     

岩石节理三维粗糙度各向异性表征新方法

针对传统二维节理面粗糙度表征方法的不足,提出一种新的岩石节理面三维粗糙度描述方法。首先,利用光学扫描系统得到节理表面点云数据并建立三维模型;运用改进的变异函数方法,提出一种新的基于正态分布模型参数的三维粗糙度(VA)方法;最后,运用新方法对花岗岩张拉型节理表面的粗糙特性进行分析。结果表明,提出的新方法能够反映节理面的起伏变化、频率和分形特征,并因此能描述出节理粗糙度的各向异性特性。     

坝体接缝的线性互补模型及横缝对拱坝工作性态的影响

借助罚因子建立了坝体接缝的增量本构模型，导出了互补虚功方程，采用有限元离散建立了坝体接缝的线性互补模型，该模型可以较好的反映接缝的接触条件，并提高计算效率。结合小湾拱坝对横缝及其初始间隙对拱坝工作性态的影响进行了分析，结果表明，如果横缝没有初始间隙，则它对坝体工作性态没有多大的影响，但当横缝存在初始间隙时则有较大的影响，坝体的应力和位移均随着初始间隙的增大而增大。     

高碾压混凝土拱坝横缝开度对拱坝安全的影响

考虑混凝土材料非线性和横缝接触非线性，对沙牌拱坝进行结构分析，研究横缝下游宽度变化对拱坝工作性态的影响。计算结果表明，横缝下游宽度达到2mm以上，坝体应力恶化，将会危害到拱坝的安全。     

考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型

盾构隧洞环间接头具有明显的非线性力学特性，合理模拟其受力变形响应是隧洞纵向变形分析中的难点。针对此问题提出了一种简便实用的环间接头分析模型，采用可传压不传拉的接触面单元模拟环间接触，采用基于埋置梁广义位移法的梁单元模拟螺栓，能够同时考虑环间接头处的非线性接触状态和接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度，且适用于各种环间连接螺栓形状（直螺栓、弯螺栓或斜螺栓）。通过算例，将有限元模型与理论解析模型计算结果进行对比，验证了该模型的准确性。将该模型应用于某实际工程中穿越断层破碎带的盾构隧洞的纵向变形分析，结果表明:输水盾构隧洞在均质基岩中状态稳定，在断层破碎带区域衬砌环间缝变形和螺栓应力显著增大，但均在设计控制范围之内。该模型可为工程安全建设及运行提供一定参考。     

三峡泄洪坝段纵缝对地震反应影响的研究

 泄洪坝段是三峡工程的重要建筑物之一,最大坝高 181.0 m ,以前的大坝抗震分析是按整体结构模型。现按实际情况设置施工纵缝,研究在地震作用下纵缝的接触状态以及泄洪坝段的响应。分别建立整体、有纵缝无间隙和有间隙 3 种模型进行地震响应分析比较,缝面按接触状态非线性问题处理,计算采用时间逐步积分法。研究结果表明：整体坝与有纵缝坝的地震动力响应存在着差异,有纵缝坝似 3 根叠梁 , 缝两端的两侧应力不连续,但三峡泄洪坝仍能保持与整体坝基本相同的功能。     

Improving the safety of massive reinforced-concrete structures with contact construction joints

Conclusions 1. The experimental investigations that we conducted made it possible to establish the performance characteristics of concrete contact joints and reinforcing rods that intersect the joints under compressive forces. Moreover, the shear strengths of concrete contact joints and reinforcing rods were defined more precisely. 2. It was established by theoretical analysis that to assess the shear strength of a concrete contact joint under compressive forces, it was expedient to use two computational models based, respectively, on the conditional factional force, and strength criteria for the plane stressed state. 3. It was established by theoretical analysis that to assess the shear strength of a reinforcing rodr it is expedient to use a bending model based on the simultaneous limiting state of the concrete and reinforcement; a bending deformation model based on the combined deformations of the reinforcement and concrete with consideration given to their elastoplastic behavior; and, a rod (tie) model consisting of inclined compressed concrete braces and tensioned reinforcing elements. 4. The coefficients entering into the computational relationships are defined more precisely on the basis of the experimental data. Corrected relationships have been developed for analysis of the strength of concrete contact joints and reinforcing rods under compressive forces. Translated from Gidrotekhnicheskoe Stroitel’stvo, No. 6, pp. 17–21, June, 2000.     

考虑封拱灌浆过程的高拱坝施工期仿真分析

混凝土拱坝施工过程中，结构体系的转变、坝体材料性质的变化和外荷载的变化，对拱坝应力和横缝状态具有一定的影响，为此，采用有限元方法，考虑横缝的接触非线性，模拟了分期封拱灌浆过程和提前蓄水过程，并对某高拱坝施工期温度场、应力场和灌浆前横缝开度变化作了较为全面的计算预测分析。分析认为，水管冷却过程及冬季上游蓄水时可能产生较大拉应力，值得引起注意，另外还得到了缝宽在拱圈方向的分布规律。     

砂的临界状态本构模型局部化分叉分析

基于砂的临界状态本构模型考虑了平均有效应力水平及孔隙比的影响,能合理地反映不同密度和应力水平下砂的变形特性。该模型对平面应变状态下变形局部化分叉的解析表明：在围压一定时,分叉出现在应力应变关系硬化阶段,分叉点对应的应力比及剪切带倾角均随孔隙比的增加而减小;密砂及松砂分叉点对应的应力比分别在临界状态线的上侧和下侧;而且峰值应力比与分叉应力比差值基本不变,但松砂较密砂差值大。在初始孔隙比一定时,密砂分叉点对应的应力比及剪切带倾角随着初始有效围压的增大而减小,而松砂分叉时的应力比及剪切带倾角基本不受围压影响。最后,为了验证解析解的正确性,采用回映应力更新算法,编写了有限元材料子程序,把该模型嵌入有限元软件ABAQUS。通过对多单元立方体试样数值模拟结果与解析解的对比,两者基本一致。     

天然黄土节理水流入渗试验及数值模拟

节理广泛存在于黄土地区,是分割黄土的结构弱面和水流入渗优势通道,目前对其工程特性尤其是水流入渗规律的研究较少。首先通过模型试验分析典型含单节理黄土的水流入渗分布及范围,然后采用SEEP/W数值模拟软件,根据模型试验结果,利用非饱和渗流理论结合数值分析的方法得到典型节理宽度为0.41,0.8,1.24 mm的黄土体的等效饱和渗透系数分别为1.5×10^-4,1.67×10^-4,1.83×10^-4 cm/s,最后研究了节理对水分场分布的影响及节理数量、节理间距等对入渗范围的影响规律。结果表明,节理对黄土水分场有较大影响,湿润区深度随节理数量的增加而大幅增加;随节理间距的增大,节理对水流入渗深度的影响逐渐消失,而湿润区宽度受节理间距的影响较小。研究成果对黄土节理渗流规律研究、含节理隧道及地下工程稳定性评价、控制水土流失等具有重要意义。     

重力坝纵缝非连续接触的数值模拟

本文在六参数（法向刚度、切向刚度、粘聚力、摩擦角、剪胀角和抗拉强度）界面单元的基础上，利用给定初始应力模拟裂隙初始宽度，采用变参数法模拟裂隙闭合与张开状态下的力学行为，从而使改进后的界面单元可以模拟非连续接触问题。利用改进后的界面单元，研究了重力坝纵缝张开宽度及其分布形式、坝体并缝措施和缝面键槽对坝体变形和应力的影响。研究表明．纵缝张开宽度及其分布形式对坝体变形和应力影响显著，并缝措施会引起并缝部位应力集中，键槽可以阻止接缝面产生相对滑移。     

接头形式对框格式地下连续墙应力变形影响的有限元分析

在水电工程中采用地下连续墙处理复杂地质条件的地基时,在施工过程中不可避免地产生施工接头,接头的存在对地下连续墙的整体受力性能存在一定的影响,成为困扰工程界的一个难题。根据桐子林水电站末段框格式地下连续墙地质条件,在连续墙上分别设置刚性接头、铰接头及半自由接头,模拟地下连续墙在工程上常采用的各种接头形式,建立了不同接头形式的3组框格式地下连续墙槽段有限元模型。基于ABAQUS软件对框格式地下连续墙在不同接头形式下的施工过程进行了非线性有限元数值模拟,详细分析比较了3种接头形式的地下连续墙在最危险施工工况下的应力与变形,得到了不同的施工接头对框格式地下连续墙应力变形的影响情况,研究成果可为类似工程提供借鉴。