岩桥破坏的简化模型及在节理岩体模拟网络中的应用

提出一个简化的岩桥破坏 /结构面扩展模型 ,该模型符合现有试验观测成果 ,在力学机理上基于Lajtai对岩桥剪切破坏的研究 ,能方便地计算实际问题中各种结构面组合情况下的抗剪力。利用先进的优化方法 ,该模型用于在结构面模拟网络中搜索抗剪力最小的结构面-岩桥组合 ,从而研究裂隙岩体的结构面连通特性和综合抗剪强度。算例和分析表明 ,在不同的法向应力作用下 ,岩体沿某一组结构面受剪时 ,破坏路径上的连通率为常数 ,这时可以使用连通率求取岩体的综合抗剪强度指标。在剪切方向与某一组结构面的平均延展方向不相同时 ,破坏路径上的连通率随法向应力的改变而改变 ,这种情况下岩体的综合抗剪强度只能通过模拟试验直接求得。     

三维条件下应用遗传算法与Monte-Carlo法确定节理岩体的综合抗剪强度

使用遗传算法并充分利用二维研究成果，提出了在结构面三维模拟网络中搜寻结构面与岩桥的最小抗剪力组合的断层扫描方法，从而可以应用Monte-Carlo法的原理，在计算机上多次模拟岩体的剪切试验，最终确定节理岩体的综合抗剪强度。该方法反映了结构面在三维岩体空间的几何分布特征，抓住了控制岩体力学性质的主要因素，并通过使用二维的结构面扩展模型反映了结构面与岩桥的破坏机理及结构面与岩桥的相互作用机理。实例分析的计算结果与反演结果相符，说明了该方法的合理性。     

岩体结构面三维粗糙度评价的新方法

 为了获得具有明确几何意义及理论依据的岩体结构面粗糙度评价指标,结合结构面剪切破坏机制,阐明将结构面潜在接触部分作为粗糙度评价重要因素的理论依据;将结构面粗糙度评价指标与其力学性质建立联系,提出描述结构面三维粗糙程度的新参数–粗糙度指标 。 即岩体结构面的潜在接触部分在垂直于剪切方向的面的投影面积与结构面水平投影面积之比, 体现了结构面在剪切方向的三维几何信息,具有各向异性。基于三维激光扫描技术及Matlab编程,实现了结构面三维几何模型的建立及 的计算。以工程应用实例,展示 的计算过程;研究同一结构面不同精细程度的几何模型的 ,结果表明：基于 评价的结构面粗糙度具有各向异性,且同一剪切方向的结构面 随其几何模型精细程度的增强而增大。对比研究 与Grasselli粗糙度评价方法,结果表明基于此2种方法的粗糙度评价结果具有相似性。此外, 可与结构面抗剪强度建立一定联系,为结构面抗剪强度估算模型的进一步研究奠定了基础。     

灰岩岩体软弱结构面抗剪强度试验研究

通过对灰岩边坡中的软弱结构面进行室内抗剪试验,发现灰岩中的软弱结构面剪切变形呈较理想的"弹塑性"破坏型,剪切变形过程可分为3个阶段,根据剪应力-变形关系曲线上的比例极限、屈服点和峰值点计算得出软弱结构面不同阶段的强度参数值,由c和tgψ试验结果计算得到的边坡稳定性系数与实际情况吻合,说明试验结果是准确的.室内试验方法克...     

考虑非平稳趋势向影响的结构面抗剪强度模型研究

结构面非平稳趋势向(结构面与剪切平面之间的夹角)的存在直接影响结构面试样抗剪强度评价的准确性。现有抗剪强度计算模型未考虑结构面非平稳趋势向的影响,不适用于趋势向非平稳的结构面抗剪强度计算。为此,在定量表征结构面趋势向α和β (α为结构面沿剪切方向的倾角,β为结构面沿垂直于剪切方向的偏转角)的基础上,以结构面最小二乘拟合平面为参考平面,将外部施加的法向、切向应力分解为参考平面的法向、切向应力,并据此建立考虑非平稳趋势向影响的结构面抗剪强度模型,采用数值解析法计算该模型的数值解,通过直剪试验对数值解的准确性进行验证。研究结果表明：结构面抗剪强度主要受趋势向α控制,而趋势向β对抗剪强度的影响比重小于1.5%,计算时可忽略不计;抗剪强度的改进值相对其原型值的误差上下限随法向应力的增大而增大、随结构面三维粗糙度JRC^3D的增大而增大;相较于未考虑趋势向影响的抗剪强度模型,改进模型计算得出的抗剪强度的准确率分别提高了24.45%,23.693%,25.37%,14.504%,所提出的结构面抗剪强度模型可有效评价含非平稳趋势向的结构面抗剪强度,为岩体结构面抗剪强度的估算奠定了理...     

JRC-JCS模型在某边坡抗剪强度取值中的应用

简要回顾了岩体结构面抗剪强度估箅方法发展的历程和JRC-JCS模型的原理,并以某边坡岩体中的硬性结构面为研究对象,利用JRC-JCS模型和结构面剪切试验两种方法相互验证,确定结构面抗剪强度指标值。     

基于黏着摩擦理论的结构面抗剪强度选取方法

运用黏着摩擦理论,分析结构面直剪过程中实际剪切面积的变化规律及其对剪切应力的影响,认为实际接触面积的最大点对应于结构面的剪切破坏状态,由此通过对试验过程的分析给出了剪切破坏的简易判别式,在此基础上提出抗剪强度选取的新方法。运用此方法对沪蓉西高速公路24标段岩体结构面的抗剪强度进行了选取,其选取结果与峰值强度折减后的结果比较接近,且该方法比峰值强度的折减系数选取更合理可靠。     

基于三维形态空间分析和仿真试验的岩体结构面剪切强度参数研究

 获取结构面可靠的强度指标是研究岩体强度的重要基础。因不同结构面样本的巨大差异,以及剪切测试难以重复进行的实际情况,直接通过试验获取剪切参数通常难度较大且结果不理想。以具有定向变形特征的岩体剪切结构面为研究对象,探索性提出采用结构面剪切测试–结构面表面形态三维空间分析–数值仿真试验相结合方法,获取真实可靠的结构面强度参数。该方法优势表现为：岩体结构面摩擦角的2个组成部分即基本摩擦角和爬坡角完全分离,且能考虑结构面形态三维特性及剪切变形方向特征;同时,力学测试和数值试验结合,克服了单纯依靠剪切测试无法重复的重大难题。     

考虑残余强度影响的结构面与接触面剪切过程损伤模拟方法

岩土结构面和接触面剪切变形全过程的模拟是岩土结构设计与计算的重要依据。首先在深入探讨结构面和接触面剪切变形过程特征和剪切变形机理基础上,从结构面和接触面剪切单元微观受力入手,并将剪切单元抽象为未损伤和损伤两部分组成,其剪切荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力即为残余强度,建立出可以反映结构面和接触面破坏后仍具有残余强度特征的剪切损伤模型;然后,引进统计损伤理论,假定结构面和接触面剪切微元破坏服从Weibull分布,在探讨剪切微元强度度量方法基础上,建立出结构面和接触面剪切变形全过程的统计损伤演化模型,进而建立出模拟结构面和接触面剪切变形全过程的统计损伤本构模型。该模型不仅可以反映结构面和接触面应变软化特性,还可反映法向正应力的影响以及残余强度变形阶段特征;最后,通过实例分析并与同类模型进行比较,表明该模型的合理性与可行性。     

岩石结构面两级形貌剪切特性研究

岩石结构面表面形貌由宏观起伏体(一级)和表面微凸体(二级)两级形貌共同组成，剪切过程中各级形貌的剪切特性不尽相同。结合三维激光扫描技术、3D打印技术和模拟材料批量制作了模型结构面，开展了不同法向应力条件下的直剪试验。试验结果表明：相同法向应力条件下，二级形貌剪切磨损接近总体形貌，且大于一级形貌；不同法向应力条件下，剪切前后两级粗糙参数平均变化率随法向应力增加而逐渐增加，其中一级粗糙参数平均变化率ηI为1.99%～4.03%，二级粗糙参数平均变化率η_Π为5.97%～8.16%；进一步基于“余弦相似性”原理计算余弦夹角以评价剪切前后结构面形貌相似性，发现二级形貌余弦夹角波动最大，一级形貌余弦夹角与总体形貌余弦夹角较接近，验证了二级形貌的剪损特性和一级形貌的剪胀特性。上述研究可为结构面抗剪强度的评价提供参考意义。     

应用蒙特卡洛法确定节理岩体的连通率和综合抗剪强度指标

本文提出了一种确定节理岩体连通率和岩体综合抗剪强度指标的新方法。该方法对传统的连通率的概念作了扩充,将连通率的确定归结为在岩体结构面网络图中寻找节理面和岩桥组合破坏路径的问题。在连通率的确定过程中,考虑了节理和岩桥的组合破坏机制。并应用动态规划原理,基本解决了岩体中存在多组节理面情况下的连通率确定问题,所得成果在漫湾电站左岸边坡稳定分析研究中获得了成功的应用。     

岩石节理剪切力学行为的颗粒流数值模拟

 利用颗粒流程序生成岩石节理直剪试验数值模型,进行不同法向应力作用下节理直剪试验的颗粒流数值模拟,研究节理的宏细观剪切力学行为,以及不同法向应力作用下微裂纹的发育及演化规律。结果表明：模型试件在直接剪切过程中表现出类似于真实节理的宏观力学行为,试件的抗剪强度和剪切峰值剪胀角对法向应力的依存关系体现出与JRC-JCS模型预测结果良好的一致性;模型试件主要在节理面两侧的微凸体附近产生接触压力集中现象。法向应力越大,接触压力集中区越多,集中程度越高;随法向应力不断增大,试件内微裂纹的发育速度逐步提高,剪切裂纹发育数目在微裂纹总数中所占的比例逐步增大,但仍远少于张性裂纹;节理面上接触压力的分布特征与模型试件内微裂纹的发育规律一致;节理在外荷载作用下的剪切破坏是节理面上微裂纹汇集贯通的结果,“压致拉”效应在此过程中起主导作用。     

节理剪切过程中锚杆的变形分析

当锚杆与砂浆的粘结未破坏时，以指数曲线来描述锚杆的侧剪应力分布；而对于锚杆与砂浆的粘结遭到破坏的区段，采用抛物线来拟合。给出了粘结破坏和未破坏两种情况下锚杆的轴应力-轴位移关系，提出利用锚杆拉拔实验数据来反演确定计算中所用到的参数。并在缺少实验数据的情况下，给出了一些参数的估计方法。根据岩石是否遭到挤压破坏，分别给出了锚杆的横向剪应力与横向位移的关系式，分析了剪切过程中锚杆加固节理的剪应力-剪位移关系，讨论了对锚固节理剪切变形刚度有重要影响的一些参数。分析表明．高的岩石单轴抗乐强度、较大的锚固面积比有助于提高锚固节理的剪切刚度。分析还表明，倾斜锚杆加固的节理比垂直锚杆的剪切刚度更大，倾斜锚杆以较小的剪切位移调动了更大的剪切阻力；倾斜锚杆加固的节理抗剪强度比垂直锚杆大，提高锚固面积比能显著提高节理抗剪强度。     

基于岩桥力学性质弱化机制的非贯通节理岩体直剪试验研究

 基于岩桥力学性质弱化机制,采用带伺服系统的直剪试验仪进行试验,在5级法向应力下,对3种含齿形节理的非贯通节理岩体进行直剪试验,研究非贯通节理岩体的强度特性和变形特性。在较低的法向应力下,含起伏角较低齿形节理面的非贯通节理岩体出现破坏模式I(张拉破坏模式)。在较高的法向应力下,含起伏角较高齿形节理面的非贯通节理岩体可能出现破坏模式II(先张拉后剪切破坏模式)。相同齿形节理面形貌的非贯通节理岩体,随着法向应力增大,峰值切向位移增大,抗剪强度增大。在相同的法向应力下,随着齿形节理面起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移减小,抗剪强度增大。非贯通节理岩体黏聚力按Jennings方法计算值大于按试验拟合值;节理面较粗糙非贯通节理岩体内摩擦角按Jennings方法计算值大于按试验拟合值。     

Control of rock joint parameters on deformation of tunnel opening

Tunneling in complex rock mass conditions is a challenging task, especially in the Himalayan terrain, where a number of unpredicted conditions are reported. Rock joint parameters such as persistence, spacing and shear strength are the factors which significantly modify the working environments in the vicinity of the openings. Therefore, a detailed tunnel stability assessment is critically important based on the field data collection on the excavated tunnel’s face. In this context, intact as well as rock mass strength and deformation modulus is obtained from laboratory tests for each rock type encountered in the study area. Finite element method(FEM) is used for stability analysis purpose by parametrically varying rock joint persistence, spacing and shear strength parameters, until the condition of overbreak is reached. Another case of marginally stable condition is also obtained based on the same parameters. The results show that stability of tunnels is highly influenced by these parameters and the size of overbreak is controlled by joint persistence and spacing. Garnetiferous schist and slate characterized using high persistence show the development of large plastic zones but small block size, depending upon joint spacing; whereas low persistence, low spacing and low shear strength in marble and quartzite create rock block fall condition.     

岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析

 基于颗粒流理论和PFC程序,在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力加载状态的选取等问题后,较为完善地实现岩石节理PFC数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度深入探讨节理在直剪试验过程中的力学演化特征和破坏机制。结合已有的节理直剪试验成果,进行室内试验和计算结果的对比分析,验证计算方法的可靠性。研究成果如下：(1) 随恒定法向荷载的增大,剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增大,节理面上黏结破坏颗粒增多,而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低;(2) 随剪切位移的增加,节理面上粒间法向接触数不断减少,接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转,而粒间接触压力不断增大,裂纹不断沿节理面附近产生,破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈;(3) 数值试验得到的剪切阻抗值普遍高于试验值,但减小模型颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明,新提出的颗粒流计算方法非常适用于岩石节理直剪试验的数值模拟,可为室内节理直剪试验和PFC节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的参考。     

岩体闭合节理摩擦滑动模拟与力学行为研究

基于边界单元法的不连续位移法,引进摩擦节理单元来模拟岩体节理,认为节理摩擦过程中其上下表面间作用的应力满足摩尔-库伦准则。在此基础上,研究了节理不同闭合和滑动状态对应力和位移的影响。研究发现,当节理张开时,节理的存在导致节理两端产生非常强烈的应力奇异性;当节理闭合且有切向滑动时,节理两端的应力奇异性明显降低。     

岩样尺度、孔道及端部摩擦效应的数值分析

 采用FLAC3D分析岩性参数、软化方法、网格划分和加载速率对圆柱岩样单轴压缩应力–应变曲线的影响,并基于优化参数分析岩样尺度、孔道及端部摩擦效应。当峰后软化模量增加、剪胀角增大、抗拉强度降低、单元划分变细或加载速率减小时,轴向应力–应变曲线的峰后软化段趋于陡峭。在单轴压缩时,端部光滑岩样一端产生Λ形破坏带,长径比对强度无明显影响;端部固定且长径比大于2时,岩样在中部产生X形破坏带,其峰值强度大于端部光滑岩样,且随长径比变化不大;端部固定且长径比小于2时,强度和平均模量随长径比减小而增大。孔道岩样的平均模量与孔径无明显关系;在相同围压下强度随着孔径增大而降低,峰后软化曲线趋于陡峭。完整和中空岩样的破坏均从岩样中心逐步向周边扩展,中空岩样形成2个同顶点圆锥面破坏带。数值模拟与试验结果比较吻合,可用于相关岩体工程设计和分析。