层状岩体结构面特征及其拟合描述模型

为了研究层状岩体的压缩破坏特征,并建立相应的理论描述模型,利用快速拉格朗日元法对三轴压缩情况下的层状岩体进行数值计算,分析了层状压缩强度与结构面倾角的关系,建立了相应的理论模型。利用所建模型,对参考国外文献中的试验结果进行描述,并探讨了加载速率和岩体压缩强度的关系。结果表明：所建拟合模型能够较好描述层状岩体的强度特征,得到了数值试验和室内试验的验证;岩体压缩强度随加速速率增大而增大,二者符合线性关系特征。     

含一组贯通节理岩体强度的各向异性分析

节理岩体是一种连续和非连续介质共存的地质体,其强度具有显著的各向异性,为了研究岩体强度的各向异性特征,基于能统一处理连续和非连续问题的数值流形方法(NMM),编制弹塑性NMM计算程序,并对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟.计算结果表明:当节理倾角较小岩体不沿节理滑移破坏时,岩体强度仍会受到节理的削弱而降低;岩体强度-节理倾角曲线呈现出非对称的"勺形";岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数变化规律;节理间距对岩体强度的影响具有各向异性;岩体强度的各向异性随着围压增大而减弱.通过对数值计算结果进行回归分析,基于新的节理分布参数,提出适用于含一组贯通节理岩体的强度预测模型.该模型综合考虑了节理倾角、节理间距和围压对岩体强度的影响,可更好地为地下工程提供技术支持.     

尺寸效应和各向异性影响下岩体力学特性

目的 研究试样的尺寸效应和由于节理存在引起的各向异性对岩体的力学特性的影响.方法 基于应变软化模型和遍布节理模型,通过多组岩体试样的单轴压缩试验和三轴试验数值模拟,对试样峰值强度和应力应变关系进行对比分析.结果 岩体轴向峰值强度随岩体尺寸增大而减小,峰后残余强度却相应增大;节理倾角与45°+ Φ/2(Φ为节理内摩擦角)越接近,岩体水平加载与竖直加载峰值强度相差越小.一组节理时,岩体节理面与加载面夹角在45°～75°,峰值强度最小,围压增加,岩体峰值强度增加,但增长速率逐渐变缓.结论 岩体单轴压缩峰值强度、峰后残余强度和塑性区形态受岩体尺寸效应影响较大;在节理岩体中,岩体抗压性能受节理倾角及围压影响较大.     

层状岩体双轴压缩变形试验的数值分析研究

以绿片岩和大理岩组成的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行了双轴压缩变形试验的数值分析,在数值分析中考虑荷载方向与层理之间的几何关系、大理岩夹层的体积含量和侧压比的影响.研究结果表明,双轴压缩条件下,轴向荷载方向平行于层理、侧向荷载方向垂直于层理时的破坏强度最大,轴向荷载方向垂直于层理、侧向荷载方向平行于层理时的破坏强度次之,轴向和侧向荷载方向均平与层理时的的破坏强度最小;当轴向荷载方向斜交于层理、侧向荷载方向平行于层理时,随着夹层倾角由0°增加至90°时,层状岩体的破坏强度呈先增大后减小的规律;随着侧压比由0增加到1.0时,层状岩体的双轴压缩破坏强度呈先增大后减小的规律.     

基于SFM方法的不同倾角桥墩绕流局部冲刷特性试验

桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果,桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系,是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展两种坡降条件下不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验,并沿下游方向设置四个模型倾角0°、5°、10°、15°。使用粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）测量桥墩绕流二维流场,并基于运动摄像恢复结构技术（Structure From Motion,SFM）实现冲刷地形三维重构,在此基础上分析床面冲刷三维地形结构和绕流流场特征,以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明：（1）SFM方法可实现冲刷地形三维结构重构,冲刷试验平衡时,模型前方和两侧冲刷坑较深,后方冲刷坑出现凸起,沿水流方向倾斜顺延上升至床面。（2）冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大,随倾角增大而减小。不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。（3）桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小,对展向流速影响范围随倾角增大而增大。（4）随模型倾角增加,旋转强度与剪切应力影响范围均减小。剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑,而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。     

不同结构面倾角节理岩体三轴试验力学特性

为了掌握贯穿型节理岩体的变形和破坏规律,对人工制备的不同倾角模拟节理岩体圆柱试样进行了系列静力三轴试验,得到了相关的应力应变曲线结果和破坏特征,进而分析了结构面倾角对节理岩体试样力学特性的重要影响.结果表明:1)随着结构面倾角的变化,节理岩体试样的应力应变曲线将不全为典型的四阶段曲线,在结构面倾角较大时结构面的变形特征十分显著,峰前曲线发生了明显转折,结构面变形占据了主导作用.2)峰值强度、残余强度和峰前线性阶段变形模量随结构面倾角增大而单调降低,而试样的脆性和剪胀性强弱、压密阶段的变形模量以及体胀、体缩量最大值等与结构面倾角的变化关系则均为非单调的.3)结构面的倾角大小影响了其与基质的相互作用规律,使得结构面或基质或者两者一起控制了节理岩体试样的变形、强度和破坏,从而形成了节理岩体试样显著不同的变形、强度和破坏特征,其变形和强度各向异性与破坏模式随结构面倾角变化而不同.     

陡倾角层状岩层大型地下厂房施工期围岩变形开裂机理研究

针对乌东德水电站右岸地下主厂房在引水洞下平段L3支洞顶拱开挖过程中,7#、8#机组段上游边墙出现的围岩变形快速增长和沿层面开裂等变形破坏现象,结合地质、监测、物探及施工资料,分析了主厂房围岩变形与破坏特征。在此基础上,从岩体结构、地应力状态、施工过程等角度出发,并结合三维离散元数值仿真手段,对围岩变形开裂机制进行了综合论证和深入探讨。结果表明：（1）小夹角顺倾下游的陡倾层状岩体结构是造成7#、8#组段上游边墙变形快速增长并呈现一定时效特征的地质基础;（2）L3支洞顶拱施工速度过快,从而产生了强烈的围岩卸荷扰动效应,导致上游边墙围岩一定深度范围内岩体沿层面张开和滑移,引起围岩变形的突然性快速增长;（3）陡倾角层状岩体的围岩变形开裂特征对L3支洞顶拱开挖规模及扰动较为敏感,合理控制岩体开挖规模及卸荷扰动效应能够有效地减小围岩变形、结构面错动和张开现象。研究成果可为类似陡倾角大跨度地下工程开挖的稳定性分析及支护设计提供借鉴。     

不同倾角裂隙砂岩单轴压缩颗粒流模拟分析

为探索不同倾角裂隙岩体在单轴压缩作用下的破坏形式,利用二维颗粒流程序(PFC2D)对不同倾角裂隙岩体试样进行单轴压缩数值模拟,研究了不同倾角裂隙岩体的强度变化规律、破坏形式以及裂纹扩展路径。结果表明:不同倾角预制裂隙岩体的破坏模式略有不同;不同倾角预制裂隙岩体破坏过程基本一致,都会经历弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、岩体失稳阶段3个阶段;不同倾角裂隙的存在使得岩体的抗压强度有不同程度的降低;在单轴压缩破坏中,裂隙的顶点应力集中现象比较严重,沿裂隙岩体对角线方向产生的裂纹最多。该数值模拟分析为进一步探索地下工程中裂隙岩体失稳破坏规律提供了参考。     

含硬性贯通结构面的岩质边坡稳定性研究

选取典型的具有硬性贯通结构面的岩质边坡模型,采用有限元强度折减法并应用岩土数值模拟软件对其进行详细的数值模拟,得到边坡在不同位置结构面、坡角及倾角下的安全系数和潜在滑移面。这说明将含贯通结构面的岩体总体特征予以反映并使之模型化是可行的。结果表明,随着结构面与坡脚距离的增大,安全系数也逐渐提高;边坡坡度越大,剪应力向坡脚集中,继而易发生破坏;坡角一定时,安全系数随倾角呈U形抛物线变化;潜在滑移面不一定沿着结构面发生破坏,也可能在岩体内滑动。上述各项岩土参数对岩质边坡稳定性的影响规律,可用于指导工程实践,有一定的推广价值。     

等边三角形微孔端面机械密封多楔现象对性能的影响

微孔端面机械密封是通过设计改变微孔的几何特性以期望得到更优的密封性能,但几何特性如何影响密封性能却缺乏机理上的研究和指导。结合流体楔效应理论,采用数值计算的方法,基于Fluent多相流空化模型,针对等边三角形微孔端面机械密封,建立了其中1个微孔周期的间隙流体的3维数值计算模型,研究不同方向角下等边三角形微孔几何特性的改变对泄漏率和开启力的影响。首先,使用了流动因子判定流动状态、网格无关性分析确定网格尺寸、文献计算结果对比等方法,保证了数值计算模型的正确性。然后,结合楔效应理论与压力云图分析,提出了多楔现象,即：等边三角形微孔存在3个性质不同的楔。方向角的变化改变了各楔与密封端面旋转线速度间的夹角,故各楔的性质与强度随方向角的变化而变化。流体流经各楔,会产生不同的楔效应,多楔效应的组合影响了压力分布,最终决定了密封性能。最后,基于多楔现象,研究了等边三角形微孔端面机械密封的泄漏率与开启力。低压差下,方向角α=40 °时泄漏率最小;高压差下,α=110 °时泄漏率最小;增大转速将强化泄漏率的变化趋势。开启力在α∈[0 °,120 °]时,先减小后增大,α=60 °时开启力最小;当α∈[0 °,40 °]及α∈[100 °,120 °]时,开启力随转速增加而增大;当α∈[40 °,100 °]时,开启力随转速增加而减小。     

离散裂隙网络对岩体力学特性影响数值模拟研究

为了研究结构面对破碎岩体力学参数的影响,以溧阳抽水蓄能电站地下厂房工程建设为例,在现场围岩地质条件、岩体结构特征及岩体质量分级等研究的基础上,分别选取主厂房顶拱、上游边墙和下游边墙三处裂隙的密度、迹长和倾角等参数进行统计,基于Monte-Carlo法构建离散裂隙网络,最后通过三轴压缩试验离散元模拟研究离散裂隙网络对岩体...     

含锯齿状结构面的岩质边坡稳定性拟动力分析

为了研究含有锯齿状结构面的岩质边坡稳定性，结合锯齿状结构面的剪切强度经验公式，综合考虑结构面参数、锚固效应、地震作用以及地下水位深度等因素的影响，基于改进的拟动力法推导了加锚结构面边坡抗滑稳定性安全系数计算式，并分析了岩石边坡稳定性的影响因素，结果表明：锯齿状结构面的抗剪强度与起伏角呈线性关系，随着起伏角的增大而增大；随着地震系数、滑动面倾角、水位深度、边坡倾角以及土体重度的增加，边坡稳定性降低，随着内摩擦角的增大而提高；锚固力越大，岩体的抗剪强度增大，边坡抗滑稳定性提高，但是锚固角的增大对边坡的稳定性起着负面效应。     

基于UDEC节理岩体抗压强度的数值研究

通过对江西某矿区岩样进行岩石力学试验,得到岩石试件的力学参数,利用Hoek-Brown法估算岩体力学参数。基于分形理论,结合Monte Carlo方法生成节理岩体平面网络图,以岩体网络图中心为基点,选取节理岩体模拟试件,采用离散元软件UDEC开展节理岩体抗压强度的数值实验。结果表明：选取角度、围压相同时,随着岩体尺寸的增大,节理岩体各向异性减弱,抗压强度呈非线性减小趋势,并趋向于某一定值,可拟合为负指数变化关系;围压、尺寸相同时,随着选取角度的增大,节理岩体抗压强度呈微幅波动趋势,这应与节理分布的分形特性有关。取样角度（所截取的岩体试件与水平方向的夹角）为60°时,抗压强度值略高,节理岩体尺寸效应与围压效应也较为明显;选取角度、尺寸相同时,随着围压的增大,岩体各向异性减弱,抗压强度呈线性增大趋势。     

单轴压缩下含层理加锚岩石声发射特征研究

为了研究不同层理倾角加锚岩石变形破坏过程中的声发射特征,加工制备了0°和90°两种层理的加锚试样,利用RMT-150C岩石力学试验机和AEwin-USB型声发射信号采集系统,进行了含层理加锚岩石声发射特征试验。研究表明:单轴压缩条件下,90°层理试样声发射累积振铃计数大于0°层理试样,具有明显的层理效应;加锚试样相比无锚试样,在压密阶段就有较强声发射信号产生,而且随着载荷的增加声发射信号越来越强,加锚试样的累计振铃计数大于无锚试样;声发射信号特征可以反映岩石内部裂隙扩展变化,对于揭示层理加锚围岩破坏失稳机制具有一定的参考价值。     

Failure mode and strength anisotropic characteristic of stratified rock mass under uniaxial compressive situation

A stratified rock mass model was founded by FLAC^3D. The failure mode and anisotropic characteristic of strength for stratified rock mass were analyzed. The analysis results show that the numerical simulation can visually reflect the failure modes of rock samples under different inclination angles β of structural plane. The stiffness of rock sample before peak strength changes in the compressive procedure. With the increase of β, the compressive strength σ _c of rock sample decreases firstly and then increases; when β is in the range of 20°–30° and 80°–90°, σ _c has the largest sensitivity to β; while β falls in the range of 30°–70°, σ _c varies little. When ϕ _j <β<90° (β _j is friction angle of structure plane), the results obtained from numerical simulation and theoretical analysis are in almost the same values; while β⩽ ϕ _j or β=90°, they are in great different values. The results obtained from theoretical analysis are obvious larger than those from numerical simulation; and the results from numerical simulation can reflect the difference of compressive strength of rock samples for the two situations of β⩾ ϕ _j and β=90°, which is in more accordance with the real situation. Foundation item: Project (50099620) supported by the National Natural Science Foundation of China     

不同倾角节理岩体损伤演化特征分析

为研究节理倾角对岩体损伤的影响规律,运用损伤力学理论建立考虑节理与荷载共同作用的岩体损伤演化模型及损伤本构模型;通过单弱面理论对模型试验进行验证,同时探讨节理岩体损伤演化特征.结果表明:单弱面理论结果与试验结果较为吻合,模型试验能较好地表征含单一结构面的岩体在荷载作用下的力学特征及损伤演化规律;当节理倾角从0增大到90°过程中,初始节理损伤先增后减,在倾角为60°时至最大值,总体呈倒"U"型分布规律;不同倾角节理岩体总损伤演化规律基本一致,均呈"S"型分布规律,先缓慢增加,而后快速增加,最后再缓慢增加其值趋于1;节理倾角只影响总损伤率数值大小不影响其演化规律,总损伤率随应变增加呈正态分布;总损伤率受控于节理面分布规律,当节理倾角从0增大至90°的过程中,总损伤率先减小后增大.     

Mechanical properties of frozen rock mass with two diagonal intersected fractures

Based on previous research results, this paper investigated the influence of fracture morphology on mechanical properties and failure modes of rock mass with two diagonal intersected fractures. This study carried out a series of triaxial compression tests on rock-like specimens with two crossed fractures under negative temperature, concluded the following conclusions. The strength and failure modes of rock mass are significantly influenced by the dips of two crossed fractures. The strength of rock mass with two fractures cannot simply be estimated using the method that was developed for the rock mass with a single fracture. When the intersecting angle is less than 30°, the failure plane initiates at the tip of ‘‘artificial ruptures" and extends to the upper and lower ends of the specimen. In case of a higher dip and intersecting angle ranging from 30° to 60°, the failure plane propagates along one of these two fractures. The mechanical parameters of rock mass are not only related to the trace length, but also depend on the trace length ratio. One could roughly calculate the strength parameters using the approximation proposed in this paper. For the rock mass with a trace length ratio 0.3(short trace length/long trace length), the failure mode is dependent on the fracture with a longer trace length. When the trace length becomes significant and the trace length ratio approximates to 1, the failure plane propagates along two fractures, where an X-shaped failure pattern is presented. For the rock mass with moderate fractures and a trace length ratio of approximately 1, the failure mode is independent on fractures, which is similar to the damage pattern of intact rock. The strength and elastic modulus of rock mass decrease with the increase of spacing between fractures, while Poisson's ratio is independent on the spacing. The failure mode can be determined by the area of triangle created by two fractures. Damage occurs at the smaller triangle area first,and propagates with the two sides of the larger triangle.     

Effect of fissure water on mechanical characteristics of rock mass

In view of the effect of fissure water in fractured rock mass on the strength of rock mass in engineering projects,we prepared specimens of cement mortar to simulate saturated rock mass with continuous fractures of different slope angles.By exerting static and dynamic loads on the specimens,the mechanical characteristics of rock mass with fissure water under these loads can be analyzed.Our experimental results indicate that the static compressive strength of saturated fractured rock mass is related to the slope angle.The lowest compressive strength of fractured rock mass occurs when the slope angle is 45°,while the highest strength occurs when the specimen has no fractures.Fissure water can weaken the strength of rock mass.The softening coefficient does not vary with the slope angle and type of load.The hydrodynamic pressure of fractured rock mass gradually increases with an increase in dynamic load.For a 0° slope angle,the hydrodynamic pressure reaches its highest level.When the slope angle is 90°,the hydrodynamic pressure is the lowest.