节理岩体蠕变特性研究

在已知岩石和节理蠕变规律的前提下,推导了节理岩体蠕变模型的一般表达式。假定岩石体积变形和节理法向压缩变形为弹性变形,忽略节理的剪胀现象,认为只有岩石畸变和节理剪切滑移与时间有关,从而推导了含三组相交节理的岩体蠕变模型及其参数。根据反演出的岩石和节理蠕变模型,计算了含三组相交节理的岩体在单轴应力作用下一些节理参数对岩体单轴蠕变的影响。分析表明,节理间距、剪胀系数以及节理夹角都对岩体的单轴蠕变变形有明显影响。节理间距越大,剪胀系数越大,节理夹角越小,节理岩体的单轴蠕变柔量也就越小,岩体的蠕变变形也越小。     

节理岩体边坡稳定性分析新方法

节理岩体边坡失稳破坏同时受控于节理与岩体抗剪强度。在对具有2组平行节理的岩体坡边失稳破坏机制研究基础上,研究了具有2组平行节理岩体边坡的极限平衡分析方法,并推导了相应的边坡稳定性分析计算公式,编制了基于潜在滑动面自动搜索的边坡稳定性研究程序。通过与文献中算例的对比研究,证明了所提出的节理岩体边坡稳定性分析方法的正确性,为具有2组平行节理岩体边坡的稳定性分析提供一条新的有效途径。     

An anisotropic strength criterion for jointed rock masses and its application in wellbore stability analyses

In this paper, an anisotropic strength criterion is established for jointed rock masses. An orientation distribution function (ODF) of joint connectivity, is introduced to characterize the anisotropic strength of jointed rock masses related to directional distributed joint sets. Coulomb failure condition is formulated for each plane of jointed rock masses by joint connectivity, where the friction coefficient and cohesion of the jointed rock mass are related to those of the intact rock and joint and become orientation dependent. When approximating joint connectivity by its second‐order fabric tensor, an anisotropic strength criterion is derived through an approximate analytical solution to the critical plane problem. To demonstrate the effects of joint distribution on the anisotropic strength of jointed rock masses, the failure envelopes are worked out for different relative orientations of material anisotropy and principal stress axes. The anisotropic strength criterion is also applied to wellbore stability analyses. It is shown that a borehole drilled in the direction of the maximum principal in situ stress is not always the safest due to the anisotropic strength of the jointed rock mass. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

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。     

基于离散裂隙网络模型的节理岩体渗透张量及特性分析

节理岩体几何结构非常复杂,研究其渗流特性对于指导含水岩层稳定性分析具有重要价值。应用离散裂隙网络模型DFN方法,基于VC++6.0软件平台,建立了平面渗流分析方法,分析了节理岩体不同几何分布情况下的渗透率张量特征,通过定义渗流定向性系数对岩体渗流的定向性特征进行了定量分析。结果表明：单组节理岩体渗流具有明显的各向异性特征,渗流定向性随着节理角度变化显著;节理随着节理贯通性增加,节理渗透率呈现对数增加趋势;两组节理情况下,各向异性特征随着节理组间夹角变化;两组节理岩体渗流特征研究中,正交分布下,岩体仍存在各向异性,但渗流定向性系数较低;当节理倾角服从正态分布时,随着节理倾角标准差增大,渗透率增加;两组节理夹角不同时,节理渗透主方向倾角随着夹角增大而相应增大,基本沿两组节理夹角方向的角平分线方向。     

类节理岩石直剪试验力学特性的数值模拟研究

节理岩体的剪切特性是主导岩体工程稳定性的关键因素。基于PFC2D离散元颗粒流程序,结合室内试验结果对比分析,选取合理的细观参数进行数值模拟,分别从细观角度研究了节理岩石的裂纹发展、能量转化及声发射现象等特性,从宏观角度研究了节理岩石的强度模型和破坏形态。结果表明：节理岩体主要呈现磨损和剪断两种破坏形态,不同的破坏形态对应不同的强度模型;随着剪切变形增加,岩体沿节理面发生破坏,弹性阶段以法向裂纹为主,而塑性阶段切向裂纹起主导作用,滑移区R、P裂纹贯通形成破碎带,节理面产生较大滑移;在应力达到峰值强度前,边界能主要转化为应变能,法向裂纹生成较多;越过峰值强度后,摩擦能快速增长,并伴随大量切向裂纹产生。与室内试验结果相比,PFC2D较好地模拟了节理岩体剪切力学特性,弥补了室内试验中无法进行细观特性研究的缺陷,对于节理岩体后期研究提供了一些参考。     

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。     

连通节理岩质边坡稳定性分析

节理岩体的剪切强度由结构面和相邻完整岩块的剪切强度共同决定,当结构面完全连通时,岩体的剪切强度完全由结构面决定。蒙特卡罗法能够根据结构面几何参数模拟岩体结构面的空间分布,通过深度优先搜索算法可搜索到连通的结构面,相对岩体而言,连通的结构面的剪切强度最小,即为节理岩质边坡的潜在滑动面,通过极限平衡法可以对一系列滑面进行稳定性分析。该方法是对节理岩质边坡稳定分析的补充。     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

基于离散元的强度折减法分析岩质边坡稳定性

将通用离散元UDEC与强度折减法结合,对含多结构面的岩质边坡的稳定性进行了分析。通过对节理岩质边坡的UDEC模型中的可变形块体和节理单元的强度参数进行折减,使模型不能再达到平衡状态,此时的折减系数就是边坡的安全系数,另外,由对应的边坡块体的速度矢量可以确定滑动面和边坡的破坏形态。通过与传统的条分法的结果比较,表明基于UDEC的强度折减法是一种可靠、有效的方法,为复杂节理岩质边坡的滑动面确定与安全系数计算开辟了新的途径。     

锚固的贯通节理岩体剪切破坏特性分析

为了研究节理对锚固岩体力学特征和失稳损伤演化的影响,采用对锚固贯通节理岩体进行室内剪切试验和PFC2D数值模拟的方法,研究不同节理倾角下锚固贯通节理岩体剪切性能的作用机制和破坏模式,研究结果表明:（1）随着节理倾角变化,贯通节理岩体呈现出不同的破坏形式,锚固贯通节理岩体的抗剪强度与剪切位移曲线并不是呈线性增长,而是呈"双驼峰"趋势。（2）锚固体系在剪切试验的过程中,节理面颗粒的接触方位角会发生一定程度的改变,主要集中在锚杆和节理倾角附近。（3）锚固体系在剪切试验的过程中,会因为颗粒间黏结键的断裂生成裂纹,裂纹数生成的越少,其抗剪强度越高,裂纹分为张拉裂纹和剪切裂纹,并且张拉裂纹的数量要远远大于剪切裂纹的数量。研究结论可用于实际工程破坏模式的预测和岩体工程稳定性评价。     

Microplane damage model for jointed rock masses

The paper presents a new microplane constitutive model for the inelastic behavior of jointed rock masses that takes into account the mechanical behavior and geometric characteristics of cracks and joints. The basic idea is that the microplane modeling of rock masses under general triaxial loading, including compression, requires the isotropic rock matrix and the joints to be considered as two distinct phases coupled in parallel. A joint continuity factor is defined as a microplane damage variable to represent the stress‐carrying area fraction of the joint phase. Based on the assumption of parallel coupling between the rock joint and the rock matrix, the overall mechanical behavior of the rock is characterized by microplane constitutive laws for the rock matrix and for the rock joints, along with an evolution law for the microplane joint continuity factor. The inelastic response of the rock matrix and the rock joints is controlled on the microplane level by the stress–strain boundaries. Based on the arguments enunciated in developing the new microplane model M7 for concrete, the previously used volumetric–deviatoric splits of the elastic strains and of the tensile boundary are avoided. The boundaries are tensile normal, compressive normal, and shear. The numerical simulations demonstrate satisfactory fits of published triaxial test data on sandstone and on jointed plaster mortar, including quintessential features such as the strain softening and dilatancy under low confining pressure, as well as the brittle–ductile transition under higher confining pressure, and the decrease of jointed rock strength and Young's modulus with an increasing dip angle of the joint. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Implementation of displacement-dependent Barton-Bandis rock joint model into discontinuous deformation analysis

Discontinuous deformation analysis (DDA) has been widely applied in analyzing various rock engineering problems. As the joint strength play a vital role in the stability of jointed rock mass, this paper makes an attempt to implement the Barton-Bandis rock joint model into the DDA code to replace the original Mohr-Coulomb joint model. The developed Barton-Bandis joint model which is characterized by displacement-dependent shear strength is verified by experimental direct shear tests. An example of a block sliding on an inclined plane is used to demonstrate the capacity of the DDA-BB model in predicting the dynamic motion behavior of sliding blocks.     

基于遍布节理模型的边坡稳定性强度折减法分析

采用非线性数值分析方法分析边坡稳定性问题时,强度折减法因其具有较多的优点而得到广泛应用。岩土体一般采用理想弹塑性模型,屈服准则为广义米赛斯准则。对于密集节理岩质边坡稳定性问题,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态及工程实际,认为岩体经强度折减后潜在破坏可能首先出现在岩体中或沿节理面或二者同时破坏。结合工程实例,基于遍布节理模型的强度折减法计算结果表明,潜在滑移面为折线型滑面,下部潜在滑移面倾角与节理面等效内摩擦角基本一致,上部潜在滑移面与岩体拉破坏相关;节理倾角与边坡安全系数、潜在滑动范围密切相关,陡倾角节理对边坡稳定性影响较小。通过对边坡失稳判据和边坡滑移面确定的探讨,认为以力或位移不收敛作为边坡失稳判据是适当的,而边坡的剪应变速率物理意义十分明确,适于作为边坡潜在滑移面的确定依据。     

基于离散元法的节理岩体边坡稳定性分析

节理岩体边坡的稳定性在很大程度上取决于节理的强度及其分布形式。由于节理岩体边坡的失稳破坏具有大变形和非连续的特点,因此,离散单元法成为研究节理岩体边坡破坏机制的最有效方法之一。通过采用离散元软件PFC2D进行数值模拟,对完整岩石及节理的力学性能进行研究,并建立含密集节理的岩体边坡模型,讨论了节理连通率对边坡破坏形式的影响。结果表明,节理岩体边坡的失稳破坏是一个渐进的过程;在多组节理密集分布的岩体边坡中,连通率越大,其稳定性越差;随着连通率的减小,边坡的破坏形式由大范围的滑坡转变为局部崩塌的形式     

节理岩体圆形隧道滑动区的研究

对于连续介质问题,可以利用Mohr-Coulomb准则很好地解决圆形隧道滑动区问题.但是对于节理岩体问题要复杂得多.由于节理岩体具有复杂的力学特性,因此节理岩体圆形隧道滑动区的确定问题一直都没有很好地解决.节理岩体的力学特性可以很好地用考虑了中间主应力影响的非线性统一强度准则来表达.根据非线性统一强度准则确定了即时摩擦角,进而获得了节理岩体圆形隧道滑动区和支护应力的封闭形式的理论解,并给出了算例.     

峰前循环剪切作用下岩石节理剪切力学特性

微震、工程爆破等低应力循环剪切荷载作用对节理岩体工程失稳破坏具有重要影响。为研究峰前循环剪切加卸载作用下岩石节理剪切力学特性,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工劈裂黄砂岩节理进行了峰前循环剪切下的直剪试验。通过与未进行峰前循环剪切加卸载时岩石节理力学参数预测值对比,得到峰前循环剪切加卸载作用对峰前剪切刚度、峰值剪切强度、峰值剪切位移与残余剪切强度的影响。结果表明：（1）峰前循环剪切加卸载后,当法向应力为2 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度增大,当法向应力为4～10 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度在循环剪切应力幅值范围内增大,在超出循环剪切应力幅值时减小;（2）峰前循环剪切加卸载后,峰值剪切强度降低了10%～20%,降低百分比随法向应力增大整体呈对数函数增大;峰值剪切位移增加了2%～40%,增加百分比随法向应力增大整体呈对数函数减小;（3）峰前循环剪切加卸载后,岩石节理残余剪切强度无明显变化,峰值剪切强度与残余剪切强度差值减小,峰后剪切应力做功损失百分比降低。     

节理岩体动态破坏的SHPB相似材料试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理条数、载荷应变率、节理充填物厚度、节理充填物类型及试件长径比等7种工况下的节理岩体动态强度及破坏模式进行了分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验研究。结果表明：节理岩体动态破坏模式及强度与节理构造形态密切相关。对于单节理岩体,其强度及破坏特征在很大程度上受节理倾角控制,节理倾角0°、90°试件动强度分别为完整试件的90%和71%,且其破坏形式均为张拉破坏;倾角60°试件动强度几乎为0;倾角30°、45°试件的动强度分别为完整试件的50%和18%,且其破坏以剪切破坏为主,兼有张拉破坏。中心1/4、1/2、4/5及全贯通节理试件的峰值强度分别为完整试件的95%、74% 、28%和17%,即随节理贯通度增加,试件动强度逐渐降低。含1~3条节理的试件动强度分别为完整试件的54%、23%和10%,即随节理条数增加,试件动强度随之有较大幅度降低,但节理条数的增加并没有改变其破坏模式。随着节理充填物厚度增加及节理充填物强度降低,试件强度依次递减,但破坏模式并没有改变。完整试件和节理试件的动强度均随着载荷应变率的增加而变大,且前者对载荷应变率的敏感性要远远高于后者,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。两类试件的动强度均随着试件长径比的增加先增大后减小,即存在一个最佳长径比。     

节理分量式剪切本构模型及岩质边坡双安全系数研究

在法向荷载和切向荷载的作用下岩体节理的剪切应力由抗剪断效应、剪胀效应和摩擦效应所引起的三部分应力构成,但三个组成部分在节理的剪切过程中并不是同时发挥其最大作用。在详细分析边坡岩体节理工程地质特性的基础上,提出一种节理分量式剪切本构模型,主要特征为（1）体现了剪胀与剪切之间的耦合效应;（2）采用分量式表达,物理意义更明确;（3）每一分量采用简单函数,避免了总量式分段构造函数的不足。在节理分量式本构模型基础上,提出应用于岩质节理边坡的双安全系数的概念和求解原则,双安全系数能够较好地反映岩体节理剪切破坏直至残余强度的物理过程。最后,通过双安全系数算例明确了各个分量对于边坡稳定性的贡献。