动静荷载下类节理岩体裂纹扩展特性研究

为了研究节理岩体在动静荷载下的裂纹扩展特性,采用室内试验和颗粒离散元程序PFC2D5.0对类节理岩体在动静荷载下的破坏形态进行研究.对比分析不同荷载下节理倾角对破坏形态的影响.结果表明,节理倾角等于45°时为翼裂纹与次生裂纹转变的临界角度值;当倾角小于45°时,新生裂纹主要为翼裂纹,裂纹起裂与岩体破坏主要受张拉应力控制;当倾角大于45°时,新生裂纹主要为次生裂纹.裂纹起裂与岩体破坏主要受剪切应力控制.在冲击荷载下,单节理岩体与双节理岩体的破坏形态类似,都为张拉破坏,主要裂纹形式为翼裂纹.     

基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型

提出考虑宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型。首先介绍仅考虑微裂纹等细观缺陷影响的岩石损伤本构模型及仅考虑节理等宏观缺陷影响的岩体损伤本构模型,其次基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏观和细观缺陷耦合的复合损伤变量,从而建立基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型,最后通过引用岩石单轴压缩试验资料对模型合理性进行验证。研究结果表明:该模型能够较好地同时反映宏观和细观缺陷对岩体应力应变曲线的影响。同时采用该模型对含不同倾角的单节理岩体和含多条平行节理的岩体在单轴压缩荷载下的应力应变曲线进行分析,所得结果与相关文献中的试验及理论结果具有很好的一致性,说明了该模型的合理性。     

基于变形元件的节理岩体压缩损伤本构模型

为研究节理岩体在压缩荷载作用下的力学响应,基于岩体结构力学观点,把节理岩体在压缩荷载作用下的变形视为岩块变形与节理面变形的叠加,分别采用基于统计损伤模型的弹性损伤变形元件和考虑节理面闭合及滑动的变形元件计算岩块和节理面在压缩荷载作用下的变形,进而建立相应的节理岩体压缩损伤本构模型。并利用该模型讨论节理面弹性模量、最大闭合应变及剪切刚度等对计算结果的影响规律。最后利用该模型对含单条贯通节理的岩体在压缩荷载作用下的应力-应变曲线进行分析计算。研究结果表明:对于可能沿节理面发生剪切滑移的岩体而言,节理面剪切刚度对计算结果的影响最为显著。对本算例而言节理岩体的峰值强度仅为完整岩体的51.5%,反映节理对岩体强度的弱化效应。同时利用该模型得出岩体强度随节理倾角呈现出抛物线变化规律,即当节理倾角在50°~60°之间时,岩体强度最低,该结论与目前的理论及试验研究结果相吻合,从而说明该模型的合理性。     

RC梁冲击破坏机理试验研究与残余变形预测方法探讨

进行了3根剪跨比为3.58钢筋混凝土梁的落锤冲击试验和1个静力对比试验,重点研究钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏机理和冲击能量对钢筋混凝土梁残余变形的影响规律.试验结果表明,在静力下发生弯曲破坏的梁在低速冲击下的裂缝形态以弯曲裂缝、弯剪裂缝为主,在高速冲击荷载作用下以腹剪裂缝为主.试验测试了冲击力、支座反力、跨中位移和跨中纵筋应变等动态时程曲线,通过分析其动态时程曲线结果,获得了钢筋混凝土梁的冲击破坏机理,即冲击作用下梁的破坏过程分为局部响应阶段和整体响应阶段.同时,还统计了国内外相关文献冲击试验结果,通过比较分析钢筋混凝土残余变形-冲击能量关系实验数据,探讨了冲击荷载作用下钢筋混凝土梁残余变形的经验公式的适用性和存在的问题.     

节理岩体单轴压缩强度预测

岩体单轴压缩强度是岩体稳定性分析的重要指标,推导了节理岩体的单轴压缩强度的理论计算公式,公式分别考虑了岩体的不同破坏形式,即沿节理面的滑动破坏和沿岩石内部的剪切破坏,并分析了节理面倾角对压缩强度的影响,得到随着节理面与加载方向夹角的增大．节理岩体的单轴压缩强度逐渐增大,并最终趋于定值的规律。     

含层理构造黑云变粒岩单轴压缩试验及数值模拟

应用离散元的接触粘结模型,系统分析了节理单元的强度特性,研究了不同加载方向下节理岩体的强度、破坏模式,并与室内试验结果进行了对比验证.研究发现:对于倾角45°分布层状节理岩体,节理单元强度低于岩石基质强度的15%时,节理对整体力学性质产生显著影响,对比室内试验,节理强度为基质强度约2%~4%时可以有效地模拟节理岩体的力学行为;随着岩层倾角的增加,层状岩体单轴抗压强度逐渐减小到逐渐增大的变化过程,呈"U形"分布.研究结果可为颗粒流离散元方法研究节理岩体力学特性提供参考.     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.     

压剪作用下节理倾角对类岩石材料破坏模式的影响

采用在水泥砂浆初凝前预埋云母片的方法制作含不同分布形态的充填节理试件,并对试件进行压剪试验,探究压剪复合作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响及节理岩体破坏机理。应用RFPA2D有限元程序建立相应的数值模型,进行数值计算。试验和数值模拟结果表明:节理倾角对试件初始破坏时翼裂纹的产生位置和最终破坏形态都有显著影响;不同倾角的节理在不同程度上弱化了类岩石试件的抗剪强度,节理倾角为15°时抗剪强度最小,而60°时最大;节理倾角小于45°时,试件破坏所需剪切位移小于无节理试件破坏时的剪切位移,节理倾角大于或等于45°时大于无节理试件破坏时的剪切位移。     

层状岩石单轴压缩损伤本构模型研究

为揭示层状岩石在单轴压缩条件下的损伤演化机理,将横观各向同性体的柯西转轴方程和随机损伤理论结合,建立考虑荷载损伤的层状岩石损伤本构模型;通过不同层理倾角炭质千枚岩的单轴压缩试验,验证模型的合理性和准确性,并从细观图像、力学参数、破坏模式和损伤演化等角度讨论炭质千枚岩的各向异性特征.研究结果表明:所建模型的理论曲线与试验数据曲线基本相符,能够较好地反映和预测单轴加载条件下层状岩石的非线性力学行为;炭质千枚岩的各向异性显著,在层理倾角从0°～90°变化的过程中,强度、峰值应变和泊松比先减小后增大,弹性模量逐渐增大,并依次产生张剪复合破坏、剪切滑移破坏和劈裂张拉破坏等三种破坏类型;不同层理倾角岩样的损伤演化规律基本相同,损伤演化曲线均经历了缓慢上升、快速上升和趋于稳定等3个阶段,损伤演化率曲线均服从正态分布,但损伤发展速率各不相同,进而改变了材料的力学性能.这将为层状岩体受荷损伤计算、各向异性研究、围岩稳定性分析和岩层掘进施工等提供理论依据和技术参考.     

节理玄武岩强度特性三维离散元压缩模拟试验

基于节理玄武岩几何结构特征和岩体强度REV尺度,利用三维离散元建立不同节理倾角下的数值模型试件,进行三轴压缩模拟试验分析.对柱状节理岩体在不同围压、不同节理倾角、不同参数比值下的强度变化规律性进行探讨,研究其各向异性比,获取并分析了柱状节理岩体在不同倾角下的等效力学参数.研究结果表明:节理玄武岩强度曲线在不同节理倾角和围压下近似呈U型分布;各向异性程度随围压升高以指数函数形式降低,以坝基原位岩体水平应力15 MPa估算,坝基处玄武岩体属于中等各向异性水平;在节理倾角75°时,对应的等效摩擦角为44.4°,等效黏聚力为1.15 MPa,参数计算值在原位测试值范围内.     

Strength properties of the jointed rock mass medium under dynamic cyclic loading

The dynamic strength properties of the intermittently jointed mediums are studied using model test to investigate the jointed rock mass behavior under dynamic cyclic load. The model test results demonstrate that (i) the dynamic strength of the jointed samples increases with the loading frequency and decreases with the loading loops; (ii) the dynamic residual strength will not be zero like the static residual strength under one-axle loading condition; (iii) the dynamic strength changes greatly with the joint density and joint angle, and it differs from that of the static strength which reaches the lowest at an angle of 45° + ψ/2, while in the dynamic case, the lowest strength is at the angle of 45°.     

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置对砂岩进行动态冲击压缩试验,通过不同的加载气压实现不同应变率条件下对煤矿区的砂岩进行冲击压缩,以此来分析煤矿区砂岩的动力学特性以及能量损耗规律。根据试验结果分析可得,应力-应变曲线反映出砂岩的动态弹性模量及峰值应力都表现出明显的应变率效应,动态压缩强度表现出很强的应变率效应,两者之间呈现线性关系;在动态冲击压缩中,动态抗压强度高于静态抗压强度,通过动态强度增长因子DIF可以反映岩石在动载条件下的强度指标;随着应变率的增大,砂岩试样单位体积吸收破碎耗能增加,试样破坏更严重,破坏程度与单位体积破碎耗能之间形成很好的对应关系。同时借助SEM扫描电镜分析冲击压缩后试样微观条件下的破坏模式,结合宏观上的破坏形态共同分析岩石的损伤特性。     

基于改进遍布节理模型的岩石基坑开挖稳定性数值分析

为解决现有研究针对开挖于层状岩体中且边坡含高倾角外倾结构面的岩石深基坑开挖稳定性的研究相对欠缺的问题,本文依托徐州市地铁3号线南三环站基坑工程,通过对FLAC3D中既有遍布节理模型的改进,得到了可同时考虑层状岩体变形和强度各向异性的横观各向同性弹塑性遍布节理模型,基于该本构模型采用数值模拟分析的方法对不同岩层倾角条件下基坑及围护结构的变形情况进行了模拟分析。结果表明：地面沉降最大值和围护桩的最大水平位移均受岩层倾角影响,当岩层倾角为50°时上述量值最大。为定量分析岩层倾角影响下围护桩的变形规律,对模拟结果进行了数据拟合,获得了围护桩最大变形与岩层倾角的理论关系。强度折减计算结果表明,岩层倾角为50°时基坑开挖完成后的安全系数最低,并获得了不同岩层倾角下基坑开挖完成后边坡的安全系数分布及基坑边坡的潜在破坏面形式,给出了依托工程围护桩的桩间距优化建议。     

钢管混凝土结构构件耐撞性能的试验研究

为研究钢管混凝土结构构件的耐撞性能,采用落锤式冲击试验方法对其抗侧向冲击性能及破坏特征进行研究.获得钢管混凝土试件在不同冲击能量下冲击力时程曲线和试件的最大侧向位移,并分析了试件破坏形态及特征.实验结果表明:管壁厚度一定时,冲击力时程曲线经历3个阶段:迅速加载、平台值和卸载;随着冲击能量的增加,试件的侧向挠度增大;当钢管混凝土受到侧向冲力时,构件有明显的屈服现象;冲击能量越大构件的动力响应越明显.表明钢管混凝土构件具有良好的抗冲击性能.     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

基于库伦理论的桥面混凝土动态力学特性分析

在桥面水泥混凝土铺装层病害日益增加的背景下,为了分析在车辆动荷载作用下桥面水泥混凝土的力学性能,改善桥面铺装层使用效果,基于Coulomb理论的剪切破坏条件,通过室内试验制作圆柱水泥混凝土试块,采用SHPB试验装置对试块施加不同的冲击荷载,研究不同强度水泥混凝土试块的破坏形态、动态抗压强度和应力应变特征。结果表明：冲击荷载引起的水泥混凝土试块由块状失效破坏到粉碎状失效破坏;冲击荷载能够增强混凝土的抗压强度,对强度较低的水泥混凝土增强效果更明显,且动态抗压强度增强率最高为143.7%;在动态力学作用下水泥混凝土应力应变曲线也呈现四个阶段,随着应变的增加水泥混凝土应力应变曲线斜率变小,从应变硬化转变为应变软化特性。对水泥混凝土动荷载作用下的物理力学特征分析能为工程桥面水泥混凝土铺装层强度提高和性能改善提供一定参考价值。     

落锤冲击作用下钢筋混凝土梁的动态响应

为研究钢筋混凝土梁在不同冲击速度下的动态变形规律,利用落锤冲击试验装置和二维数字图像相关系统,对12根钢筋混凝土梁的冲击力时程、平均跨中位移变化过程、跨中钢筋的平均应变时程以及裂缝的形成与扩展过程进行分析,重点讨论了梁的变形破坏模式及动态响应过程。研究发现：不同于静态三点弯曲试验的弯曲型破坏,钢筋混凝土梁的动态破坏形态主要表现为弯剪型破坏;冲击力峰值明显大于静态加载的承载力峰值,在恒定冲击质量的条件下与冲击高度正相关;钢筋混凝土梁的位移响应过程明显滞后于冲击力的响应时程,挠曲变形所持续的时长约为冲击力作用时长的40~60倍,位移响应表现出明显的滞后性;钢筋是否进入屈服阶段以及维持时长显著影响梁的最大位移以及残余位移。     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

深部非线性岩石动力学的理论发展及应用

本文系统总结了爆炸等强动力作用下深部非线性岩石动力学的发展,指出在研究诱发人工地震、岩爆等动力事件时,必须考虑岩体的结构特性.通过大规模爆炸条件下的岩块基本变形特性分析,构建了岩块不可逆位移渐进演化分析模型,确定了不同爆炸当量激活块体的尺度随爆心距的关系和岩块不可逆位移大小的边界范围,提出了地下核爆炸诱发人工地震安全距离的计算方法,结合美、俄、法等地下核试验数据,综合验证了理论方法的可靠性.