Numerical Simulation of the Process of Fracture of Echelon Rock Joints

The effect of joint overlap on the full failure behavior of a rock bridge in the shear-box test was numerically investigated by means of the particle flow code in two dimensions (PFC2D). Initially, the PFC2D was calibrated by use of data obtained from experimental laboratory tests to ensure the conformity of the simulated numerical model’s response. Furthermore, validation of the simulated models was cross-checked with the results from direct shear tests performed on non-persistent jointed physical models. By use of numerical direct shear tests, the failure process was visually observed and the failure patterns were seen to be in reasonable accordance with experimental results. Discrete element simulations demonstrated that macro shear fractures in rock bridges are because of microscopic tensile breakage of a large number of bonded discs. The failure pattern is mostly affected by joint overlap whereas the shear strength is closely related to the failure pattern. The results show that non-overlapping joints lost their loading capacity when nearly 50 % of total cracks developed within the rock bridge whereas the overlapping joints lost their loading capacity as soon as cracks initiated from the joint walls. Furthermore, progressive failure or stable crack growth was seen to develop for non-overlapped joints whereas brittle failure or unstable crack growth was seen to develop in overlapped joints.     

Numerical investigation of the effect of joint geometrical parameters on the mechanical properties of a non-persistent jointed rock mass under uniaxial compression

The strength and deformability of rock masses transected by non-persistent joints are controlled by complex interactions of joints and intact rock bridges. The emergence of synthetic rock mass (SRM) numerical modelling offers a promising approach to the analysis of rock masses, but has not been rigorously compared with actual physical experiments. In this work, SRM modelling by the discrete element software PFC3D is used to investigate the effect of geometric parameters of joints on the rock mass failure mechanism, unconfined compressive strength and deformation modulus. Firstly, a validation study is undertaken to investigate the ability of SRM modelling to reproduce rock mass failure modes and strength as determined by uniaxial and biaxial compression testing in the laboratory. The numerical analyses agree well with physical experimentation at low confining pressure. A sensitivity study is then undertaken of the effect of joint configuration parameters on the failure mode, unconfined compressive strength and deformation modulus of the rock mass. Five failure modes are predicted to occur: intact rock, planar, block rotation, step-path and semi-block generation. It is found that the failure mode is determined principally by joint orientation and step angle and the joint orientation with respect to principal stress direction is the parameter with the greatest influence on rock mass properties.     

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。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

逆层岩质边坡地震动力破坏过程FLAC/PFC耦合数值模拟分析

建立含有非贯通层面和正交次级节理的逆层岩质边坡FLAC/PFC2D耦合计算模型,进行地震动力破坏过程模拟试验,研究了逆层岩质边坡地震动力破坏机理。试验结果证明,在地震动力破坏过程中,边坡内部层面主要产生剪切破坏,少量张拉破坏集中于逆层边坡顶部位置并且总是发生在坡体已经产生动力失稳之后,因此层面的抗拉强度并不影响逆层边坡的地震动力稳定性。坡顶正交次级节理只能产生张拉破坏,形成宏观的岩层倾倒趋势,而坡底的正交次级节理既会产生张拉破坏,也会产生剪切破坏,破坏面滑动趋势明显。动力响应坡顶放大效应和破坏面发育位置深度导致坡顶岩体的张拉倾倒早于坡底岩体的剪切滑动,与逆层边坡静力倾倒破坏顺序相反。     

含二阶起伏体的模拟岩体节理试样剪切特性试验研究

利用规则的小尺寸锯齿构造二阶起伏体,对不同二阶起伏体高度的人工节理进行常法向应力下的直剪试验,研究了节理剪切力学特性。对节理的剪切强度、变形特征进行了分析,并对破坏特征做出解释。试验结果表明：二阶起伏体对节理剪切力学特性有重要影响,含二阶起伏体节理的剪切力学特性与只含有一阶起伏体节理的剪切力学特性不同,只含一阶起伏体的节理剪应力只有一个峰值,含二阶起伏体的节理会出现波浪状的剪胀曲线和多峰值剪应力,且峰值剪应力随剪切位移增大依次出现并逐个减小;随着二阶起伏体高度增大,节理峰值剪切强度增大,节理依次出现磨损破坏、多次性剪断破坏、一次性剪断破坏。     

Failure Characteristics of Complicated Random Jointed Rock Mass Under Compressive-Shear Loading

Most natural rock masses contain a large number of random joints and fissures, and most of the rock masses at the rock engineering are commonly in both compression and shear stress environment. However, the research on the failure characteristics of complex random jointed rock mass under compressive-shear loading is still limited. To address this gap, this paper uses the particle flow code 2D to establish a discrete fractured rock mass model and carry out a series of numerical tests with different compressive-shear angles (α) and different joint geometric parameters. The effects of compressive-shear angle and joint geometric parameters on the strength and failure characteristics of fractured rock masses are studied. The results indicate that with the increase of α, the peak strength of the specimen decreases gradually, and the failure mode changes from the composite shear failure mode (Mode-I) to a plane shear failure mode (Mode-II) and then to intact shear failure mode (Mode-III). Specifically, the three failure modes occur in the specimens with α?=?15°, 30° or 45°, 60°, respectively. The existence of joints affects stress distribution on rock mass during the loading process. Furthermore, the stress at the joint tip is relatively concentrated, while on both sides of the joint is smaller. Three kinds of crack coalescence patterns are observed: tensile, shear, and tensile-shear mixed coalescence. The inclination angle of the rock bridge between adjacent joints affects the specific type of coalescence.

     

含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC2D的人工合成岩体技术（SRM）,研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示：在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度（PGA）放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。     

非贯通节理岩体直剪试验研究进展

基于典型的直剪试验,国内外学者提出了非贯通节理岩体贯通破坏机理,并建立了相应的强度准则,如Jennings方法,即加权平均强度理论和强度准则、Lajtai岩桥破坏理论和强度准则、断裂力学的II型破坏理论和强度准则,拉剪复合破坏和强度准则。然而,非贯通节理岩体破坏机理目前还没有完全弄清楚,已建立的强度准则所包含的重要参数还需深入研究,如：如节理面的传压系数、传剪系数、弱化了的岩桥内摩擦力和内摩擦角等;非贯通节理岩体节理闭合和剪切的本构关系有待建立;不共面非贯通节理岩体全过程最大抗剪强度需进一步研究。伺服直剪试验机、静态应变测试仪、声发射仪、X射线测量等无损检测技术能够为进一步研究非贯通节理岩体的破坏机理,提出新的理论和建立新的强度准则提供强有力的技术支持。     

Slope failure analysis considering anisotropic characteristics of foliated rock masses

Weak planes affect the strength and deformational behaviors of rock slopes, and the anisotropic characteristics of rock mass should be considered in slope stability analysis. Effects of joint plane orientations on failure mechanism and strength response of inherently anisotropic rock samples were firstly investigated. The specimens with various orientations of joints were evaluated under uniaxial compression, Brazilian tensile, and direct shear tests. By treating the foliated rock as transversely isotropic materials, the relevant elastic constants and strength parameters were obtained from experimental results. The slope damage zone was then investigated using Comsol Multiphysics code based on Hoffman criterion. It is indicated that the failure mechanism and strength response depend highly on the inclination of specimens with respect to the loading direction. For disks with the same inclination angle, the value of tensile strength has an increasing trend with the total fracture length. Numerical results show that partial slope mass failed in single slope and no large-scale landslide occurred. The failure pattern in numerical results agrees well with the field observations. The cooperation between the experimental results and the numerical results allows an in-depth analysis of the experimental results and thus better understanding the dominant effect of joints on the deformation and failure of rock mass.     

弱化节理剪切力学特征的颗粒流模拟研究

在黏结颗粒模型中引入强度弱化因子生成弱化介质材料,进行弱化模型试件的单轴抗压强度试验。结果表明,弱化作用在降低试件单轴抗压强度的同时,还将导致试件弹性模量逐步下降。这一结果符合相关室内试验的研究成果。为进一步对岩石强度弱化模拟方法进行效果检验,利用颗粒流程序内置的FISH语言建立弱化岩石节理直剪试验模型,进行不同法向应力条件下弱化岩石节理的直剪试验。结果表明：弱化节理模型试件表现出类似于真实节理的一系列宏观剪切力学特征;不同壁面弱化程度条件下,节理模型试件的抗剪强度及剪切峰值膨胀角的试验结果与法向应力的依存关系均符合经典的JRC-JCS模型。由此表明,所采用的岩石强度弱化模拟方法可以较好地再现岩石介质的强度弱化效应。通过模型试件内微裂纹发展演化特征的研究表明,壁面弱化作用可导致试件内裂纹发育数目的快速增长、微裂纹分布范围的迅速扩大,以及剪切裂纹发育比例的迅速提高,由此从细观角度揭示了弱化节理面更易于产生宏观剪切破坏的原因。研究成果可以为弱化岩石节理的抗剪强度及大型岩质边坡的稳定性研究提供参考。     

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。     

节理分布位置对岩体剪切破裂特征影响试验研究

节理分布位置影响岩体综合抗剪强度,并控制“锁固段”型岩质边坡启动和破裂演化。通过模型试件剪切试验,分析了节理分布位置对岩体综合抗剪强度和破裂特征的影响程度。试件模型以水泥砂浆为材料,在剪切面不同位置预制封闭节理,使其成为四周密封、内部节理贯通的模型。在不同法向应力下进行剪切试验,测定综合抗剪强度变化规律和剪切破裂特征。试验结果表明:试样破裂面可分为翼部拉张区、翼部压剪区、端部拉张区三部分,各区面积所占比例随节理位置变化而波动。剪切强度参数也随节理位置变化而规律性波动,且法向应力越大,变化幅度越大。     

锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应试验及特征研究

脆性岩石破裂扩展的时间效应与地下工程的长期稳定性密切相关。针对锦屏深埋大理岩易受高应力卸荷而产生初始损伤的特点,首先利用无损取样技术获得无损岩样,并利用声发射对无损岩样进行初始损伤检测,剔除初始损伤对试验结果的影响。之后利用获得的无损岩样进行一系列的长期加载的静态疲劳试验验证锦屏大理岩强度的时效特性。结果显示,锦屏大理岩表现出强度随时间衰减的特性,当应力驱动比较低时,需要的时间也相应增加,最后得到静态疲劳极限为0.48。分析证明,脆性岩石在稳定荷载作用下蠕变曲线也分为3个阶段,同时应变率也表现出相应的变化趋势,利用扩容指标阐述了岩样在静态疲劳试验中的变形特征和破坏模式。最后,利用FLAC3D计算了开挖引起的应力松弛区和应力集中区,说明了埋深对试验结果的影响。针对试验中出现的含节理岩样强度较低的问题,借助颗粒流程序PFC中的光滑节理模型进行了数值试验,结果显示,节理的存在极大地影响了岩样的整体强度,并且在加载初期,存在压缩紧密,而在残余阶段,存在一定的强化效应和延性特征。     

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。     

不同充填度岩石分形节理抗剪强度的数值模拟

在对岩石节理进行分形模拟的基础上,建立了岩石分形充填节理直剪试验数值分析模型,采用数值模拟方法,研究了充填度与岩石分形充填节理抗剪强度之间的关系。结果表明,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度总体上呈非线性减小。当充填度小于1时,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度迅速减小,节理抗剪强度受节理表面形态、充填物力学性质以及壁岩力学性质的共同影响;当充填度大于1时,节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制,强度参数接近于节理充填物的强度参数。      

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。     

不同粗糙度的节理直剪颗粒流分析

利用二维颗粒流程序生成5种不同粗糙程度的节理模型,并对5种节理模型进行了5种不同法向恒定荷载作用下的直剪试验,从细观角度分析了不同粗糙程度的节理模型在法向荷载下的形貌损伤情况和裂纹演化机制。与此同时,分析了节理JRC值和节理面颗粒摩擦系数对节理抗剪强度影响,并反推出了节理面抗剪强度参数Cj与?j与JRC值的关系。结果为：法向恒定荷载越大时,节理峰值抗剪应力越大,剪胀现象越小,节理形貌损伤范围越大。随着剪切的进行,上下节理面接触范围减小,微裂纹开始主要沿节理面产生,随着剪切位移的继续增加微裂纹数量显著增加,并且不局限于节理面附近而深入到模型内部。随着节理粗糙程度（JRC值）和节理面颗粒摩擦系数的增加节理峰值抗剪应力也增大。节理抗剪强度参数Cj与?j随着JRC值的增大而增大。所得结果可以为室内试验和工程应用提供参考和依据。     

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。     

砂土充填大理岩节理的剪切强度经验公式

为研究砂土充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS（RDS?200型）岩石剪切测试系统对4种不同摩擦系数砂土充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明：相同法向应力下,未充填节理的峰值剪切应力大于充填节理的峰值剪切应力,说明砂土的存在降低了节理的剪切强度;由节理面三维形貌参数最大谷深 表征节理面粗糙程度,得到了未充填节理的峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值基本吻合;得到了用充填砂土摩擦系数表达的充填节理峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值较为吻合。研究结论对充填节理岩体稳定性评价具有一定指导意义。