裂隙岩体宏观力学参数研究

 裂隙岩体的变形模量及强度特性是工程界关注的焦点,其关键是岩体变形模量及强度的尺寸效应和表征单元尺寸(REV)。根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面力学特性试验成果,确定岩块和结构面的本构模型,建立考虑无厚度裂隙面力学响应的分析模型。研究不同尺寸、不同统计窗裂隙岩体的力学响应特征,并重点研究裂隙岩体变形模量和单轴抗压强度的尺寸效应、REV特征以及各向异性特征。该研究方法为裂隙岩体的宏观力学参数取值提供参考,研究成果也为锦屏二级水电站工程岩体参数取值提供了依据。     

卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验

 岩体工程开挖是一个卸荷过程,通过裂隙岩体物理模型试验,研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征,并探讨裂隙的扩展演化过程和力学机制。卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形破坏及裂隙扩展均受裂隙与卸荷方向夹角及裂隙间的组合关系影响;卸荷速率及初始应力场大小主要影响岩体卸荷强度及次生裂缝的数量,对裂隙扩展方式影响相对较少;卸荷条件下裂隙扩展是在卸荷差异回弹变形引起的拉应力和裂隙面剪切力增大而抗剪力减小的综合作用下的破坏,且各个应力对裂隙扩展的影响大小与裂隙的倾角密切相关。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

岩全边坡非连续非线性卸荷及流变分析

对岩石边坡的卸荷和流变作了非连续变形分析。指出边坡在卸荷情况下，岩体的变形分析应考虑开裂等非连续变形。对其流变变形也应考虑开裂和裂隙扩展机制进行了计算才能得到岩坡的大变形与真实变形。常规弹塑性分析一般只能得到小变形，与实测值往往对应不起来。本文提出了开裂卸荷条件下岩石的本构关系和计算方法，并运用于工程。将实测结果和计算做了对比，两者甚为吻合。     

多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

裂隙岩体在受荷条件下的声学特性研究

 博士学位论文摘要　自60 年代超声波测试技术应用到岩石工程领域以来, 已经成功地用于岩石、岩体和土体动弹性参数测试、岩体结构分类、参数确定以及岩体质量评价等问题, 因而得到岩土工程界的广泛重视, 并已进行了大量的理论与实验研究。在应用中用声速确定岩体的完整性系数, 作为岩体质量分级的一个重要指标, 已纳入了我国工程岩体分类国家标准; 但目前的研究基本上是沿声速和衰减两个参数而展开的, 对于岩石和岩体的声学特性与应力状态的相关性、对于与应力状态相关联的加载和卸载过程、对于声波信号中的信息如何应用等等, 还是尚未解决的问题, 因而目前的声波测试还难以解决声波与岩石力学特性相关的较复杂问题, 这就阻碍了超声波测试技术在岩土工程领域的更广泛的应用。为此本文重点研究裂隙岩体在受荷条件下的声学特性理论模型, 研究声波信号处理技术的新方法。通过大量的实验验证和对声波波形记录的数值分析, 系统地揭示了微裂隙岩石和裂隙岩体在加卸荷过程中的声学特性。其主要工作如下:(1) 通过分析岩石中裂隙的性态和对岩体中裂隙的界定, 从宏观角度将含裂隙岩石视为连续介质, 推导了超声波在其中传播时的声速及衰减与弹性参数的理论关系; 然后就岩石中裂隙在自由应力状态下对超声波传播的影响进行了详细的分析; 最后运用裂隙的边界元数值分析结果对岩石超声波与应力的相关性进行探讨。(2) 将岩石视为包含随机分布、具有一定开度且无充填物的微裂隙的各向同性体, 运用断裂力学理论推求出岩石在单轴,三轴加、卸荷全过程的本构模型; 运用岩石变形特性、空隙率、等效弹性参数及波速、衰减之间的关系提出等效模型, 建立了岩石在加卸荷过程中声速及衰减与应力的理论关系; 为了检验模型的正确性, 对砂岩、大理岩、花岗岩、灰岩和玄武岩等5 种岩石及石膏模型进行了加卸荷条件下的声波测试实验研究, 其结果与模型预测有较好的一致性。(3) 在对裂隙岩体建立宏观简化模型的基础上, 研究了裂隙岩体的等效弹性参数及其在未受到外部荷作用时的声速和衰减系数; 考虑裂隙闭合效应分析裂隙的变形特性, 并由此建立裂隙岩体在不同受荷条件下的声学特性的理论模型。通过对两种裂隙分布的石膏模型的实验研究, 证实了该理论模型能有效地模拟裂隙岩体的声学特性。(4) 采用小波变换理论对声波信号进行时2频域分析。将声波信号分解成不同频带通道的小波分量, 通过对各小波分量的频域分析, 提出了对应力较敏感的加权波谱参数; 并利用这种处理技术研究了岩石(体) 在受荷条件下波谱参数随应力的变化规律, 并说明以小波分析为基础定义的波谱参数在分析裂隙岩石和岩体的声学特性与应力相关性方面的重要理论意义和应用价值。(5) 运用损伤力学理论研究了岩石的损伤力学特性, 建立了岩石强度与超声波速之间的指数关系式; 并通过对混凝土和重庆砂岩的实验数据的拟合证实了这种指数关系的存在。针对目前在隧道工程中广泛采用的Q 系统围岩分类以及岩石工程中RMR 工程岩体分类, 利用现存的统计结果将岩体的超声波速与岩体质量指数Q、岩体分类指数RMR 及Hoek2Brown 准则联系起来, 建立了用岩体超声波速进行岩体分类以及对岩体强度参数和变形参数的估测方法。通过对三峡工程永久船闸高边坡岩体的应用, 发现由超声波预测的力学参数与直接采用RMR 分类系统和Hoek2Brown 准则估计的岩体力学参数基本吻合。从而表明应用超声波预测岩体力学参数是完全可行的。     

文献选摘

岩石力学与工程学报　2000年第2期题目:考虑裂隙闭合和摩擦效应的节理岩体能量损伤理论与应用作者:陈卫忠(中国科学院武汉岩土力学研究所　武汉　430071)摘要:基于能量等效原理,建立了考虑裂隙闭合和裂隙表面摩擦效应的节理裂隙岩体本构关系,推导了柔度张量及其增量的表达式,并将该研究成果应用于三峡船闸岩体稳定性分析。计算结果表明,本模型可以较好地反映节理裂隙岩体的力学特性及开挖过程中围岩渐进破坏的规律。题目:煤层顶底板岩石成分和结构与其力学性质的关系作者:孟召平(中国矿业大学资源开发工程系　北京　100083)摘要:基于沉积岩…     

裂隙岩体精细结构描述及工程特性数值试验

 基于裂隙的空间形态及分布的统计特性,应用裂隙网络随机模拟技术,建立工程裂隙岩体的数字化岩体模型,并编制程序实现自动化建模。利用GeoCAAS程序进行裂隙岩体数值试验研究,发展了研究裂隙岩体的力学和水力学特性以及两者关系的方法。主要探讨裂隙岩体变形模量和渗透系数随裂隙迹长变化而演化的规律,并进一步分析变形模量和渗透系数之间的关系。     

GZZ岩体强度三维分析理论与深埋隧道应力控制设计分析方法

深部卸荷岩体表现出显著的三维非线性力学特征,浅埋隧道的设计方法和工程经验不适用于深埋隧道工程。传统计算模型未反映深部岩体力学特征,参数主要通过室内试验或位移反分析确定,缺乏实时、准确获取岩体参数并进行深埋隧道动态诊断的设计分析理论和方法。本文综述和研究了GZZ岩体强度三维连续分析的理论基础、参数原位取值方法及对深部岩体工程的适用性;考虑深部岩体三维强度和峰后剪胀效应的非关联塑性流动法则及弹塑性本构关系得到了岩石真三轴试验、模型试验、现场监测数据的验证;基于数字化原位测试获取岩体力学参数,可实现隧道工程三维正分析和动态设计,克服了传统位移反分析设计方法的局限;揭示了深埋隧道开挖面三维挤出变形规律和应力主轴旋转力学机制,阐明了中间主应力和三维应力状态对深埋隧道稳定的力学影响机制;探讨了“应力控制”设计分析方法和思路在隧道工程精确分析和精准控制中的作用,为深埋岩体隧道动态设计和智能建造提供理论依据与技术支撑。     

三峡工程永久船闸边坡岩体宏观力学参数的尺寸效应研究

采用室内及现场岩体力学试验,建立E－Vp关系、工程岩体分级、计算机模拟试验以及边坡位移监测成果的反演分析等手段,对三峡永久船闸边坡卸荷带岩体变形参数进行研究,建立了岩体变形模量与岩体尺寸之间的关系,研究成果表明永久船闸高边坡岩体宏观力学参数具有明显的尺寸效应。     

卸荷应力状态下裂隙岩体的变形和强度特性

通过裂隙岩体模型的卸荷破坏试验，从应力－应变关系、变形及强度特性等方面，对裂隙岩体在卸荷条件下的变形破坏特性进行了分析。     

乌东德层状岩体卸荷力学特性原位真三轴试验研究

针对乌东德水电站地下厂房尾水洞薄层大理岩化白云岩进行原位真三轴试验,研究工程岩体卸荷条件下的变形和强度特性。试样为方柱体,长50 cm、宽50 cm、高100 cm,包含20~30条层面,制备时预加压力以减小卸荷松弛。先实施地应力水平下的变形试验,然后模拟洞室开挖时围岩应力调整情况,先加载轴向压力、然后卸载垂直层面方向的围压至试样破坏。试验结果表明:(1)变形具有正交各向异性。垂直层面方向变形模量与平行层面方向变形模量的比值为0.34~0.69。平行层面加载时层面张开,侧胀系数为0.52,反之,垂直层面加载时层面压密,侧胀系数为0.25;(2)塑性变形较大。在一个加卸荷循环中,卸荷残余变形与加载变形的比值为0.4~0.8;(3)加载变形模量与侧压正相关,垂直层面方向的卸荷回弹模量与侧压负相关;(4)卸荷变形具有非线性,卸荷回弹模量与卸荷应力差的相关关系可用负指数式描述;(5)垂直层面方向应力卸荷时,试样破坏型式为沿层面的剪切破坏,体积变形未经历压缩,而是持续、加速扩容;(6)基于沿层面剪切破坏的破坏模式,得到层面Mohr-Coulomb强度参数;视试样为均质岩体,得到岩体Mohr-Coulomb强度参数和Drucker-Prager强度参数。分析各类强度参数的适用性。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

考虑卸荷效应的岩质边坡断裂损伤模型及应用

 岩质边坡在开挖过程中会引起内部的缺陷不断劣化,以致在部分区域形成贯通,进而发展成宏观裂缝导致边坡失稳。将边坡的开挖过程等效为在开挖面施加等效荷载并逐渐减小至零的过程。在此等效开挖的过程中,坡面一定范围内的裂隙会处于拉剪应力状态,以连续介质力学为基础,结合损伤力学以及断裂力学,推导出裂隙在受拉剪应力状态下的损伤演化本构模型。利用宏观的体积模量反映岩体的损伤程度,并定义破坏度用以表征实际岩体内部的破坏情况,在FLAC3D中开发并实现裂隙岩体卸荷损伤模型的计算。以广西凤山石灰岩建材矿山为例,计算并分析考虑及不考虑卸荷损伤两种工况的位移值及塑性区,证明了该模型的正确性以及能更准确的反映坡体内部的真实情况。对比分析开挖卸荷后岩体的损伤度及破坏度后发现,以破坏度反应岩体的损伤情况,可以更加直观和准确地确定岩体的稳定程度。     

裂隙化岩体应变软化损伤本构模型探讨

首先,针对基于Lemaitre应变等价性假说之岩石损伤模型的局限性与不足,在深入探讨裂隙化岩体变形损伤机制的基础上,考虑裂隙化岩体受载后体积发生变化的影响,采用空隙率反映裂隙化岩体变形过程中的空隙或岩体体积变化,并通过裂隙化岩体微观受力分析,建立裂隙化岩体损伤模型;然后,通过深入研究裂隙化岩体有效应力与宏观名义应力的关系,并引进统计损伤理论,建立裂隙化岩体应变软化损伤统计本构模型,同时提出其参数确定方法,该模型能够充分反映裂隙化岩体的应变软化特性,尤其是能较好地模拟裂隙化岩体变形初期空隙的压密阶段,同时,模型参数确定无需通过非常规岩石力学试验,且参数物理意义明确,应用将较为方便;最后,通过与前人研究成果和实测结果的比较分析,表明该模型的合理性与可行性。     

智能岩石力学(2)——参数与模型的智能辨识

1引言输入参数和本构模型是岩石力学研究中最核心的两个问题。然而,由于岩石力学的研究对象是复杂的地质体,受断层、节理裂隙切割,加上工程开挖和外部环境的影响,致使许多情况下,我们不能获得很好的输入参数和本构模型。“输入参数和本构模型给不准”已成为岩石力学理论分析和数值模拟的“瓶颈”问题。本文应用智能岩石力学的观点【’,’］,就如何进行输入参数和本构模型的自适应辨识进行探讨。2输人参数的智能辨识2．1利用基于信息分形的神经网络巨构有关研究表明,岩体力学信息存在分形自相似性。例如,在空间和尺寸上,岩石微破裂…     

基于花岗岩卸荷试验的损伤变形特征及其强度准则

 对取自大渡河大岗山水电站的花岗岩开展高应力下2种卸荷方案的力学特性试验,并与同围压下的常规三轴压缩试验结果进行对比分析,研究岩石卸荷过程中的破坏机制、力学强度参数损伤劣化效应及其卸荷破坏的强度特性。研究结果表明：(1) 岩石卸荷过程中向卸荷方向回弹变形强烈、扩容显著,脆性破坏特征明显。(2) 卸荷试验中,开始卸荷点处的变形模量较常规三轴压缩试验已发生一定的损伤劣化,其损伤因子与初始围压近似成线性关系,而该点处的泊松比所表现出的损伤劣化效应却不明显。(3) 卸荷过程中,泊松比随着围压的不断卸除,呈现指数关系增长;变形模量变化平缓,但在岩样卸荷屈服破坏点处陡降。(4) 在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则能很好地反映其破坏强度特性。(5) 相比较于常规三轴压缩试验,卸荷时的抗剪强度参数c值减小而j 值增大,其变化量与卸荷方式有关。这些结论揭示高应力条件下花岗岩的卸荷力学特性,为西部水利水电工程的开挖、支护设计及其稳定性分析提供了理论参考。     

考虑裂隙岩体参数折减的初始地应力场反演

结构面多而复杂、岩石强度较高的裂隙岩体,在数值计算过程中难免出现建模困难及计算误差大的问题。结合地下洞室裂隙化花岗岩实例,在考虑裂隙密度、半径等因素的基础上,对该类岩体力学参数进行折减处理,并以折减后参数作为计算参数带入3DEC离散元模型进行数值计算,获取训练样本P,T。采用BP神经网络训练样本,获取初始地应力场与边界条件的对应关系,结合实测地应力值反演出区域应力场值。将该反演结果与实测结果对比分析。结果表明:经过参数折减后的模型计算的初始地应力场具有较高的准确性,建模过程避免了结构面划分的庞大工作量,得到结果为区域宏观应力场,具有较强的实用性。