单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单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K_Ⅰ、K_Ⅱ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多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,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。      

基于复合损伤的节理岩体动态本构模型研究

基于运用霍普金森压杆（SHPB）装置对节理岩体动载试验得出的数据,从节理面倾角、贯通度、厚度、组数、填充物及应变率等不同方面分析各因素对节理岩体力学特性的影响,通过对节理岩体在高应变率下的损伤机制和破坏形式进行分析的基础上,基于复合损伤理论,对广义Bingham模型进行改进,构造了节理岩体材料在不同应变率下动态响应的本构模型,对模型计算和试验结果的比较表明,该模型能够很好地描述节理岩体动荷载下初始弹性变形阶段、稳态塑性变形阶段和加速变形破坏阶段的应力-应变关系,并且理论与试验结果吻合较好,从而证明了该模型的正确性和合理性。     

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。     

动载下节理岩体破坏过程的数值试验研究

节理岩体是工程中最常见的一类岩体,其在地震、爆炸等动载下的力学响应及破坏过程对相关工程安全性的影响至关重要。采用基于有限元应力分析和统计损伤理论开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载下节理岩体的动态破坏过程进行了模拟,重点讨论了节理条数、节理贯通度、节理倾角及应力波峰值对岩体动态破坏过程的影响规律。计算结果表明,断续节理岩体动态破坏过程及破坏强度与节理构造形态、应力波峰值密切相关。相同动载下,随着节理条数的增加,岩体破坏程度以及应力波能量损失增强,但当节理条数数超过一定值后,岩体破坏程度及应力波能量损失逐渐趋于稳定;节理贯通度较小时,岩体破坏程度较低且破坏单元自上而下均匀分布。随着节理贯通度的增加,岩体破坏增强,且破坏主要出现于节理上部岩体;节理倾角较小时,节理上部岩体破坏严重,易形成次生贯通裂纹。随着节理倾角增加,破坏范围逐渐变大,不易形成次生贯通裂纹;倾角为45°～60°时,岩体破坏效果最佳;动载荷的峰值越大,试样的破坏越严重。当峰值达到一定值时,节理附近发育出多条裂隙并向上下方不断发展而导致岩体完全破坏。在不同节理贯通度工况下与岩石霍布金森压杆（SHPB）试验结果进行比较,结论吻合,证明该数值模拟的合可行性和结论的可靠性。     

缓倾角塔柱状危岩压裂损伤-突变失稳预测

陡高边坡灰岩地区缓倾角塔柱状危岩常具有底部压裂诱发整体失稳破坏模式,其损伤-突变失稳机制属于山地灾害关键科学问题之一。以重庆南川区甑子岩W12#危岩崩塌为例,建立了荷载、水致弱化效应耦合下的损伤突变地质力学模型,获得了基于应变等价原理的损伤本构方程及总损伤度演化方程,并将水致弱化函数改进为软化系数的一元三次函数。将地质力学模型概化为等效弹簧模型,通过能量平衡原理建立损伤-折叠突变模型,获得了塔柱状危岩系统压裂失稳判据及临界突变位移特征值表达式。计算表明：W12#危岩压裂失稳时,该系统的控制变量为–0.003 251,小于0,表示该系统进入不稳定状态;计算理论突变位移起始值148.70 mm比实测位移第一拐点值154.34 mm偏小,相对误差约3.65%,偏于安全;理论损伤本构曲线、理论损伤演化曲线与现有文献数值模拟结果趋于一致,所构建的理论预测模型具有较好的适用性。其研究成果可用于预判塔柱状危岩压裂失稳损伤演化过程及突发失稳特征位移值,为灰岩区陡高边坡危岩崩塌监测预警和防灾减灾提供理论依据。     

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。     

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.     

综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型

针对目前节理岩体损伤本构模型中仅考虑节理等宏观缺陷造成的损伤,而没有考虑岩块中微裂纹等微观损伤的不足,提出了综合考虑宏微观损伤的节理岩体本构模型。其中微观损伤模型采用基于应变强度理论和岩石微元强度服从Weibull分布假定的统计损伤模型,把其应用于被节理切割而成的岩块。而宏观损伤模型主要基于连续介质力学原理,把节理对岩体性质的劣化作为损伤来考虑。在考虑节理传压及传剪系数的基础上,提出了综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型。算例表明宏观节理的存在大大削弱了岩体的强度,降低了其刚度,增大了其柔性。所提出的模型能够较好地反映宏微观两类损伤对岩体应力-应变关系及强度的影响,较为合理。      

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。     

节理泥质粉砂岩卸荷流变试验及流变规律研究

为了解节理对泥质粉砂岩卸荷流变规律的影响,进行了同起始围压,不同应力水平下的节理泥质粉砂岩分级卸荷流变试验。首先,详细介绍了节理试样的预制方法及卸荷流变试验的过程,然后,研究了节理试样在不同应力水平作用下的轴向及侧向流变应变变化规律,得出节理倾角为0°的试样轴向及侧向流变应变随围压降低的增大趋势最陡,节理倾角为60°的试样其次,节理倾角为40°的试样最缓。同时,分析了节理对轴向及侧向流变速率变化趋势的影响,探讨了不同倾角节理试样的卸荷流变破裂机制。研究结果较为全面地掌握了节理泥质粉砂岩的卸荷流变基本规律,为进一步建立节理岩体的流变本构模型及参数辨识提供了可靠依据。     

某地下电站厂房围岩稳定性及锚固效应研究

某地下电站厂房围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,其围岩采用了锚杆、锚索加固。作者采用三维断续节理岩体的弹性损伤本构模型、损伤演化方程及损伤岩锚柱单元支护模型分析围岩加固前后的稳定情况,结果表明,能较好地反应围岩的渐近破坏过程和锚杆（索）的加固效果。这些理论成果对设计有参考价值,并对工程实践有指导意义。     

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。     

双江口工程地下洞室群围岩损伤及稳定性研究

对四川省双江口水电站工程的地下洞群的节理岩体围岩稳定性进行研究,分别采用了弹塑性模型、节理岩体断裂损伤模型进行数值分析。在弹塑性模型中,采用锚固等效法来模拟锚杆及锚索的支护效果。断裂损伤模型以损伤及断裂力学原理为基础,运用损伤本构模型和损伤演化方程在FLAC3D软件的框架下开发出子程序,考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,进而得到用上述的模型和计算程序分析出的围岩塑性区、损伤演化区和位移规律。将两种模型的计算结果与相应工程模型试验的结果进行了比较分析。研究结果表明,损伤模型更接近工程实际情况,与模型试验结果更为接近     

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性（FLAC3D）计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。     

非规则砂岩节理剪切变形本构关系试验研究

岩石节理剪切变形对岩体工程的安全性和稳定性具有重要影响。为研究常法向应力下岩石节理剪切变形本构关系,采用RDS-200型岩石直剪仪对非规则砂岩节理进行了不同法向应力下的直剪试验。根据岩石节理剪切应力?位移全程曲线形状特征,将其依次划分为峰前压密阶段、线性阶段、屈服阶段和峰后软化阶段;根据剪切应力在峰后软化阶段降低幅度和速率大小,将岩石节理剪切应力?位移曲线划分为3种类型：峰后平台型、峰后缓降型和峰后跌落型。基于岩石节理剪切应力?位移曲线各阶段剪切变形特征,采用分段函数建立了岩石节理剪切变形本构模型。与其他模型相比,新提出的岩石节理剪切变形本构模型对试验数据拟合精度更高,更好地描述了岩石节理剪切应力?位移全程曲线。另外,在通过岩石节理直剪试验由经验公式确定模型参数之后,所提出本构模型可在不同法向应力下实现对不同粗糙度岩石节理剪切应力?位移曲线的预测。研究结果对岩石节理剪切变形的数值模拟和工程估计具有一定的实用价值。     

柱状节理玄武岩隧洞破坏模式及其力学机制模拟

柱状节理岩体由于其内部赋存大量的隐节理面,开挖卸荷后极易出现隐节理面开裂松弛等特征,导致其破坏模式异于一般岩体。其破坏模式主要受到异常发育的节理面和较高地应力的共同作用影响。由于柱状节理岩体节理面发育,岩体结构控制型破坏占主要部分,包括单临空面节理面滑移（塌方）、多临空面节理面滑移（塌方）、与错动带、断层等弱面相组合的坍塌等破坏模式;应力控制型破坏主要为河谷侧顶拱喷层开裂;应力-结构面型破坏主要为岩性交界处的节理岩体塌落等。柱状节理岩体表层主要发生柱内竖直隐节理面和柱间节理面的拉破坏,而围岩内部的柱状节理主要发生柱间节理面的剪切破坏。因此,现场柱状节理的支护也应主要包括两个方面：以喷射混凝土钢纤维来阻止柱状节理岩体表层的张性开裂,以系统锚杆来控制柱状节理岩体内部的剪切破坏。     

节理连通率对岩体力学特性影响的细观研究

采用等效岩体（ERM）技术,将节理和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,构建含不同节理倾角、连通率的等效岩体模型。结合试验结果,从细观力学角度开展单轴压缩条件下节理连通率对岩体强度、破裂机制、能量演化等力学特征影响的定量研究。研究发现,当节理方向与加载轴向呈一定夹角时,岩体表现出沿岩桥连线方向的贯通破坏趋势,尤其当节理倾角? = 30°,连通率L = 0.8时,岩体破坏表现出岩桥复合贯通破坏模式。在该类节理倾角(? = 30°)条件下,随节理连通率增大,岩体表现出的主要力学特征为：（1）峰值抗压强度呈不断降低趋势;（2）微破裂总数不断下降,但张拉型微破裂所占比例逐渐提高。微裂纹进一步集中在不同层间节理尖端岩桥连线上产生;（3）声发射（AE）事件产生时间在整个加载阶段逐渐分散,声发射事件总数及破裂强度分布范围、均值、标准差等均不断减小;（4）峰值应变能及峰后应变能、动能变化率降低,峰后摩擦能增速放缓,试样破坏所需的外界做功逐渐降低。     

On the role of joint roughness on the micromechanics of rock fracturing process: a numerical study

The deformation process and failure mechanism of rock mass with increased joint roughness subjected to unconfined compression are investigated in this study using discrete element method. A numerical model is developed using soft-bonded particle and validated to realistically replicate the mechanical response of the rock mass. The micro-parameters of the rock material are first determined, and the effects of the joint roughness on the macromechanical response and fracture growth mechanism are then investigated. Analyses are also performed to examine the tensile and shear crack distributions, acoustic emission (AE) characteristics, coordination number, and crack anisotropy to advance the current understanding of the role of joint roughness on the mechanical behavior and deformability of rock mass. The results show that strength and deformability of the jointed rocks are highly dependent on the joint orientation and roughness. Joint roughness is found to restrain the propagation and coalescence of microcracks and AE events from the interlocking of asperities. In addition, the spatial distribution of the contact forces allows for better understanding of the effect of joint inclination angle on the response of the investigated rock samples.

     

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。