双轴应力下非贯通节理岩体压缩损伤本构模型

针对目前节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理长度、倾角等几何性质,而未考虑节理抗剪强度等力学性质的不足,基于断裂力学中的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学中的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了在双轴应力下含单条非贯通闭合节理岩体的损伤变量计算公式,并根据断裂力学理论对双轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用,给出了单组单排及单组多排非贯通节理尖端应力强度因子计算公式,由此建立了相应的节理岩体双轴压缩损伤本构模型,并利用该模型进行了相应的算例分析。结果表明：对含单条非贯通闭合节理的岩体而言,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为0,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小;对含单组单排非贯通闭合节理的岩体而言,当节理总长度一定时,随着单条节理长度的减小及节理条数的增加,岩体损伤则逐渐减小,但其减小幅度与节理条数并不呈线性关系。     

非贯通节理岩体损伤变量计算方法研究

作为岩体组成部分的非贯通节理对岩体力学特性有着重要影响,然而几乎目前所有的岩体损伤变量计算方法都仅考虑节理几何参数对岩体力学特性的影响。对含单组非贯通节理的岩体力学特性进行研究,提出一个能够同时考虑节理几何及强度参数对岩体力学特性影响的新的岩体损伤变量计算方法。首先,采用弹性余能等效假设代替Lemaitre应变等效假设研究由节理引起的岩体各向异性损伤,并基于断裂力学中单个节理引起的附加应变能增量与损伤力学应变能释放量相关联的观点,推导出由单条节理引起的损伤变量计算公式。其次,根据断裂力学理论获得了单轴压缩下单条节理尖端应力强度因子（SIF）KⅠ、KⅡ的计算公式。最后,通过考虑节理间的相互作用给出了单组单排或多排节理尖端应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式,得到了单组节理引起的岩体损伤变量计算公式,并与已有试验结果的对比分析证明了该公式的合理性。     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

基于Mohr-Coulomb准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔–库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔–库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明:(1)采用摩尔–库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。(2)该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。(3)节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。(4)宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量随节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在、微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明：（1）完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;（2）裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;（3）裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;（4）非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。     

多节理岩体裂纹扩展及变形破坏试验研究

为了研究不同倾角下多节理岩体力学行为,采用10 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪,开展包含较多预制非贯通节理类岩石试件的单轴压缩试验,研究了多节理岩体裂纹的特征、贯通模式、破坏模式、应力-应变特征等与节理倾角之间的关系。试验结果表明,（1）多节理岩体的裂纹类型主要有翼裂纹和次生共面裂纹,翼裂纹的扩展路径与单个节理情况下的扩展路径差异较大,翼裂纹起裂后沿起裂方向存在较长的扩展长度,直接与相邻节理或翼裂纹形成贯通,并且裂纹的贯通表现出四种不同的模式;（2）多节理岩体的破坏模式归纳为3种类型：平面破坏、块体转动式破坏和台阶式破坏;（3）根据多节理岩体的应力-应变曲线在应变软化阶段所表现出的不同非线性变形行为特征,可以将曲线归纳为4种类型;（4）多节理岩体的强度和变形各向异性特征非常显著,强度和弹性模量均在节理倾角30°时最小,90°时最大。     

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。     

循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究

通过循环冻融和相似材料试验,研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。通过对经历冻融循环后的试件损伤破坏模式的观察和单轴压缩试验,重点研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理充填物厚度、节理充填物类型、试件饱和度、冻融循环次数等对试件冻融损伤破坏模式、单轴抗压强度和弹性模量的影响。研究发现：节理存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。节理倾角通过影响冻融裂纹的起裂位置进而影响其破坏模式和强度;随着贯通度的增加,试件表面裂纹由稀变密;随着节理条数增加,试件受冻融影响明显加剧;随着节理充填物厚度增加,试件冻融损伤程度先增加后减小;节理充填物类型对试件冻融损伤程度也有一定影响;随着试件饱和度的增加,试件冻融损伤程度先减小后增加;随着冻融循环次数的增加,节理试件表面因冻胀引起的裂纹逐渐增多、变宽,且其抗冻融特性较完整试件差。上述研究成果对寒区岩体工程建设及安全运营具有重要的参考价值。     

考虑裂隙变形参数的岩体单轴压缩损伤模型

为了更准确地预测裂隙对岩体压缩力学特性(如强度和刚度)的影响,需要建立更为合理的裂隙岩体压缩损伤模型。为此,基于相关试验数据和裂隙岩体单轴压缩力学行为,采用损伤及断裂理论对目前断续裂隙岩体压缩损伤模型中存在的不足进行了深入分析,并对其进行了3方面的改进,即：不再将裂隙变形参数视为定值、考虑了裂隙面上法向正应力产生的负第一应力强度因子(K_I)、考虑了裂隙面上有效剪应力产生的K_I,由此最终提出了考虑裂隙变形参数的岩体单轴压缩损伤本构模型。最后采用试验数据对该模型的合理性进行了验证,发现与现有模型相比,该模型明显提高了岩体单轴压缩弹性模量和损伤值的预测精度,尤其是当裂隙倾角为0°时,该模型计算得到的弹性模量为4.306 MPa,与实测弹性模量4.310 MPa几乎相同。因此,该模型能够很好地刻画岩体单轴压缩力学行为,这也说明考虑裂隙变形参数对岩体单轴压缩力学特性的影响是十分必要的。该研究可为准确预测裂隙岩体的单轴压缩力学行为提供参考。     

预制节理岩体试件强度及破坏模式的试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、载荷应变率、试件长径比、节理充填物厚度及类型等7种工况下的预制节理岩体在单轴压缩下的峰值强度及破坏模式进行了研究。结果表明：节理岩体的破坏模式及峰值强度与节理构造形态密切相关。贯通节理岩体将产生沿节理面的剪切破坏或穿切节理面破坏,且与第1种破坏模式对应的岩体峰值强度更低。非贯通节理岩体的强度介于完整岩体和贯通节理岩体之间。随着平行节理组数的增加,岩体峰值强度逐渐下降。随着载荷应变率的增加,岩体峰值强度逐渐增大,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。试件长径比基本没有改变其破坏模式,完整试件仍主要是以张拉破坏为主,而节理试件仍以剪切破坏为主。随着长径比增加,试件峰值强度逐渐增大。随着节理充填物厚度增加,试件峰值强度降低。不同节理填充物对试件峰值强度也有一定影响。     

Damage Constitutive and Failure Prediction of Artificial Single-Joint Sandstone Based on Acoustic Emission

The effect law of deformation and failure of a jointed rock mass is essential for underground engineering safety and stability evaluation. In order to study the evolution mechanism and precursory characteristics of instability and failure of jointed rock masses, uniaxial compression and acoustic emission (AE) tests are conducted on sandstones with different joint dip angles. To simulate the mechanical behavior of the rock, a jointed rock mass damage constitutive model with AE characteristic parameters is created based on damage mechanics theory and taking into account the effect of rock mass structure and load coupling. To quantify the mechanism of rock instability, a cusp catastrophe model with AE characteristic parameters is created based on catastrophe theory. The results indicate that when the joint dip angle increases from 0° to 90°, the failure mechanism of sandstone shifts from tensile to shear, with 45° being the critical failure mode. Sandstone's compressive strength reduces initially and subsequently increases, resulting in a U-shaped distribution. The developed damage constitutive model's theoretical curve closely matches the test curve, indicating that the model can reasonably describe the damage evolution of sandstone. The cusp catastrophe model has a high forecast accuracy, and when combined with the damage constitutive model, the prediction accuracy can be increased further. The research results can provide theoretical guidance for the safety and stability evaluation of underground engineering.

     

Composite damage constitutive model of jointed rock mass considering crack propagation length and joint friction effect

In order to study the damage constitutive model of rock mass with non-persistent joints in engineering practice, the assumption that the rock mesoscopic elements strength obeys the Weibull distribution function of random, the Drucker–Prager criterion is used as a representation method to describe the strength of the mesoscopic elements, and mesoscopic damage variable is deduced. Combined with the energy principle and the fracture damage theory, the macroscopic damage variable formula is deduced considering the crack propagation length and the friction effect of joint closure in the rock mass. Finally, based on the strain equivalent hypothesis of Lemaitre and considering the coupling of macro and micro defects, the composite damage variables are derived. A macro–meso composite damage constitutive model of rock mass with non-persistent joints is established based on the Drucker–Prager criterion. The theoretical constitutive curves of the model are in good agreement with the experimental constitutive curves of the non-persistent jointed rock masses. The considering effects of crack propagation length and joint closure friction effect are compared with those without considering the crack propagation length and joint closure friction effect, which finds that the former is superior to the latter, and the rationality and validity of the model is verified.     

锚固节理岩体等效力学参数三维离散元模拟

节理岩体是工程边坡的重要研究对象,通过数值模拟（3DEC）的方法研究了加锚节理岩体的力学特性。以龙滩水电站左岸边坡的锚固设计为例,推导了边坡加锚节理岩体的等效力学参数,进行了岩石数值单轴压缩试验、直剪试验以及岩体结构面直剪试验,对数值试验的结果进行了误差分析和修正,确定出加锚节理岩体的等效力学参数为：岩石的变形模量、内摩擦角、内聚力不变,结构面的内摩擦角不变,内聚力由50 kPa提高到122 kPa。所得结论与采用物理试验的试验结果相符,验证了用数值模拟方法进行岩石力学试验的可行性和可靠性。     

基于RJM断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究

裂隙结构的存在对于工程岩体的强度和稳定性具有重要影响,岩石宏观裂隙的产生源自于微破裂的积累。针对岩体裂隙的粗糙特性,通过Matlab建立考虑粗糙度的节理模型（Roughness Joint Model）,采用简化的正弦曲线来表示粗糙节理,并将其导入到颗粒流试验模型中进行单轴压缩试验。对比完整岩体、直线型裂隙岩体、RJM岩体三者破坏的应力-应变曲线,改变裂隙倾角（与水平方向夹角）α,岩桥倾角β,裂隙密度γ,建立不同裂隙分布的断续节理岩体数值试样,开展一系列数值模拟试验。研究结果发现:（1）裂隙的存在明显降低了岩体的抗压强度,RJM模型峰值强度和峰值应变均高于直线型裂隙岩体;（2）岩体抗压强度总体上随裂隙倾角增大而增加,随裂隙密度增加而减小,但随岩桥倾角的改变呈非线性变化,岩桥倾角45°时峰值强度最低,峰值应变最小;（3）裂隙分布会影响岩体的破裂模式,微裂隙的扩展反映了岩体力学性质的各向异性;（4）不同倾角下增加裂隙密度,岩体强度下降程度不同,倾角75°时密度对强度影响最小,30°和60°时影响最大。     

单一预制节理试件各向异性力学特性试验研究

节理岩体具有特殊的不连续结构,从而展现出复杂的各向异性力学特性。为了掌握这一复杂力学特性,从理论上分析了单一节理面的力学效应,并通过常规三轴压缩试验研究了单一预制贯通节理试件的各向异性力学特性。结果表明,节理试件的力学特性分为受节理面控制和岩块控制;与完整试件相比,节理试件的力学参数均有不同程度降低,其中弹性模量、抗压强度、黏聚力随节理倾角呈U型分布,最小值均出现在60°倾角节理试件,而内摩擦角与节理倾角呈线性增大关系;随着围压等级升高,不同倾角节理试件弹性模量和抗压强度的最大值与最小值的比值降低,力学性能差异减小。