深埋隧道层状岩体弹塑性本构模型研究

共和隧道围岩为薄层状灰岩,岩样试件单轴压缩全过程曲线表现为明显的各向异性,且隧道现场监测发现围岩屈服破坏也具有明显的方向性。据此选择合适的屈服准则及其强度参数随岩层倾角（与最大主应力的夹角）变化规律。结合各向异性弹性本构方程,获得横观各向同性弹塑性本构关系并利用C++语言实现。利用该本构模型对共和隧道进行数值模拟,计算结果与破坏特征基本吻合,验证了该模型的正确性,可以用于该隧道支护设计及稳定性分析。     

残余强度特性对岩石宏观破坏的影响

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统 ,数值模拟了单轴压缩试验下试样破裂失稳的过程 ,主要研究了残余强度特性对岩石类非均质材料弹 脆 塑性的影响。对大量不同残余强度岩石试样的数值模拟结果显示 :残余强度是影响岩石弹 脆 塑性的重要方面 ,残余强度越高 ,岩石越容易表现为塑性 ,岩石试样所承受的峰值载荷也越高     

有限元和有限层元研究横向同性土对建筑物沉降的影响

从常规三轴压缩试验得到横观各向同性土层的力学参数,综合9种来自于不同国家和地区的横观各向同性土层的土样参数,研究分析了横观各向同性土层参数对建筑物沉降的影响。作为典型例子,对上海一幢剪力墙结构的箱形基础与横观各向同性土进行共同作用分析,并与各向同性土层上的分析结果进行比较,结果表明：横观各向同性土层参数对沉降的影响有些不同,尤其是不排水加载条件确定的土层参数影响的结果大不相同。     

含预制裂纹巴西盘试样破裂模式的数值模拟

利用岩石破裂过程分析系统（RFPA）软件, 进行了岩石含中心裂纹的巴西盘在单轴压缩荷载作用下破裂过程的数值模拟。数值模拟再现了含不同预制裂纹角度时巴西盘试样所表现出不同的破裂模式以及主裂纹的产生、扩展、贯通、次生裂纹的产生等过程,得到的破裂模式结果与有关文献中的实验结果十分吻合。除此以外,数值试验还能够给出在物理实验中不能观察到的应力场信息及岩石的破裂机制。     

对称非各向同性体大地电磁法二维异常特征

大量观测资料表明,地下介质的物性普遍存在非各向同性现象,只有建立非各向同性模型才能真实地反应地下介质情况。在分析前人研究成果的基础上,从实际地质情况出发,以层状介质的电学性质为基础引入非各向同性系数到对称非各向同性体的研究当中,推导出对称非各向同性体二维大地电磁场的变分方程,实现了模拟对称非各向同性体的有限单元法。将计算结果与Pek的有限差分法的计算结果进行对比验证了程序的正确性。通过固定非各向同性系数在不同倾角下的模型,说明倾角对非各向同性效应的影响;通过固定倾角在不同非各向同性系数下的模型,说明非各向同性系数对非各向同性效应的影响;通过不同倾角和不同非各向同性系数模型的正演拟断面图,更加形象地展示两者与非各向同性效应之间的关系。     

岩层组合劣化型冒顶机制研究

通过对162起锚杆支护煤巷冒顶事故实例分析研究,顶板岩层组合劣化是引起冒顶事故的主要原因,占事故总数的66 %。应用东北大学岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）,对不同组合的层状顶板的劣化过程进行了数值模拟研究。通过数值分析可知：岩层组合劣化与顶板岩层组合中软弱夹层位置变化、坚硬岩层厚度及高跨比变化有关;与直接顶板岩层组合中软岩层厚度变化有关。岩层组合劣化破坏的主要是拉破坏、剪切破坏及其共同作用的结果,在剪应力的作用下层状顶板发生整体跨落;在自重应力作用下顶板岩层发生弯曲破坏;剪应力和拉应力共同作用下层状顶板破坏形式为拱形冒落。     

基于Hoek-Brown的岩石横观各向同性屈服准则研究

为了描述岩石强度的各向异性特征,通过引入材料的微结构张量,考虑单轴抗压强度σ_cβ随层理倾角β而变化,提出了基于微结构张量的修正Hoek-Brown屈服准则。开展不同层理倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的页岩试样不同围压(0、5、10、15和20 MPa)下的三轴压缩试验,结果显示,页岩峰值强度与层理倾角β呈"U"形曲线关系,在围压较低时呈"肩"形曲线关系,弹性模量E_t和泊松比ν对围压不敏感,其平均值随层理倾角β的变化关系分别呈倒"U"形、"肩"形。页岩的微观和宏观破坏图像表明,其破坏模式受围压和层理倾角双重控制。试验值与模型预测值的对比表明,修正的Hoek-Brown屈服准则可较好地对页岩强度的各向异性进行模拟。同时,采用Koteshwar千枚岩、Koteshwar板岩、绿泥石片岩等层状结构岩石的单轴和三轴压缩试验数据,进一步验证了提出的修正Hoek-Brown屈服准则对多数具有层理结构的横观各向同性岩石峰值强度模拟具有普遍适用性,并对屈服准则在试验数据较多和较少情况下的峰值强度模拟效果进行了评价。     

三维构造应力场数值模拟在含油气盆地构造裂缝分析中应用初探

在三维构造应务场数值模拟的基础上,依据岩石破裂准则、岩石内各点单位体积的形变比能分别进行目标层构造裂缝发育程度与岩石破裂系数、应变能之间定量关系研究、探索三维构造应力场数值模拟在含油气盆地裂缝分析中应用的思路方法。     

横观各向同性饱和土体振动分析

基于饱和地基多孔介质理论,考虑了水土的惯性及耦合作用,研究了横观各向同性饱和地基的稳态振动问题。利用Hankel变换,得到饱和土的位移、应力、孔压的积分形式的解,由此利用数值Hankel逆变换给出了数值算例,最后讨论了横观各向同性饱和地基各向异性对地表竖向振幅的影响。     

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

在岩石破裂过程分析（RFPA2D）系统的基础上,考虑岩石损伤过程的时间因素影响,引入岩石细观单元蠕变本构方程,建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA2D数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程,得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA2D数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外,数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果,这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。     

反倾层状岩质边坡倾倒变形机理与影响因素的离散元模拟

为进一步研究层状反倾边坡的弯曲倾倒变形机制,以离心试验为原型,通过离散元数值模拟,研究了层状岩质反倾边坡的变形机理与影响因素。通过预置层内随机裂隙,实现了破裂面的形成和贯通。研究结果表明：模拟结果与试验吻合较好,边坡变形可分为起始蠕变、稳态变形和失稳破坏3个阶段;边坡破裂面在达到破坏荷载（G_f）后瞬间贯通,呈直线型,产状受岩层倾角控制,G_f值与坡角幂函数相关;反倾边坡的破坏需满足倾角和坡角启动条件,且变形破坏与岩层所受弯矩关系密切,当倾角为70°~80°、坡角大于60°时,最易破坏;典型破坏模式有倾倒-折断-块体式、倾倒-弯曲-折断式、倾倒-反折式3种,其受倾角、坡角组合控制;对材料参数的正交试验表明,各参数对G_f的敏感性从大到小依次为密度、层面内摩擦角、层厚、密度比、层面黏聚力,且G_f与层厚、层面内摩擦角及密度比具有良好的线性相关性;层面内摩擦角可影响破裂面产状,从而控制变形体规模,其他参数仅影响G_f的大小。     

基于底摩擦试验的硬岩岩质边坡变形过程及破坏机制研究

针对不同倾向、不同倾角条件下,边坡变形破坏特征不同但缺乏相互对比分析研究的现状,在充分考虑硬岩岩质边坡变形破坏特征的基础上,配制硬岩相似材料,采用底摩擦试验方法,分析不同倾向、不同倾角边坡变形破坏模式,并借助PIVlab技术进行分析。结果表明:顺倾和反倾边坡变形破坏模式和破坏范围有明显区别。在45°坡度条件下,当顺倾边坡倾角由30°→45°→60°→80°转换时,变形破坏模式由滑移-拉裂→轻微滑移-弯曲（或滑移-剪切）→未有明显变形（整体稳定）→浅表部倾倒-拉裂逐渐演化。在45°坡度、反倾边坡条件下,变形破坏模式由岩层倾角30°和45°条件下无明显变形,逐渐向60°和80°条件下的倾倒-拉裂演化。当岩层倾角较陡时,反倾边坡破坏范围相对顺倾边坡更大,倾倒弯曲转折端更深。PIVlab结果反映出不同结构边坡条件下,不同位置的速度和位移矢量特征不同,且与宏观观察结果相吻合。研究成果能够为同类边坡的稳定性评价和治理设计提供一定参考。     

重庆市涪陵区厚层软硬相间岩体失稳模式

重庆市涪陵区厚层软硬相间公路高边坡的详细调查发现,不同的岩层产状,不同开挖方向其斜坡变形破坏模式不同。本文根据野外实例总结了不同岩层产状与开挖方向对应的破坏模式,平缓层状斜坡破坏方式有滑塌式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌;中倾角层状斜坡破坏方式有顺层滑移和崩塌;高陡倾角层状斜坡坡破坏方式有滑移式崩塌和坠落式崩塌。表明斜坡变形破坏地质力学模式与斜坡岩体结构之间存在着密切的成生联系。通过对不同倾角的斜坡岩体破坏方式研究,可以达到系统评价预测斜坡稳定性的目的;通过公路开挖对不同产状岩层可能造成灾害的预期,可以采用不同的预防措施,避免大型灾害的发生。     

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。     

改进的遍布节理模型及其在层状岩体地下工程中的应用

基于显式有限差分程序FLAC3D,针对层状岩体建立了可以考虑其横观各向同性变形特性的遍布节理模型。通过FLAC3D程序的预留接口导入程序,将该改进的遍布节理模型中植入FLAC3D动态链接库。在此基础上进行了层状岩体变形与强度各向异性特性的研究,最后将该模型应用于龙滩水电站巨型地下硐室群的层状岩体围岩变形及破裂特征分析。研究表明,围岩变形主要表现为岩层同性面内的变形,其左右边墙变形不对称性主要受断层切割控制;围岩破坏型式以剪切破坏为主,其中岩体整体破坏受断层控制,表现为中低应力条件下的拉剪或压剪破坏;而开挖引起的岩层破坏受制于陡倾角层状岩体结构,表现为层间错动引起的剪切破坏。     

单轴压缩条件下裂隙岩样冻融损伤破坏模式分析

以寒区裂隙岩体为研究对象,采用水泥砂浆类岩石材料制作具有不同几何特征的裂隙岩样,对预制的不同裂隙岩样进行冻融循环试验和单轴压缩试验,研究裂隙长度、裂隙倾角、裂隙数目以及冻融循环次数对试件贯通模式的影响。试验表明：裂隙岩体的几何特征以及冻融循环作用对岩体损伤破坏模式有较大影响。随着冻融循环次数的增加,岩样破裂面的破裂程度越来越严重,破坏模式也越来越复杂;裂隙倾角为30°的裂隙岩样,主要发生拉伸破坏,而裂隙倾角为60°的裂隙岩样,则表现为拉剪贯通,且双裂隙岩样岩桥间多出现压剪裂纹,对于裂隙倾角为90°的岩样,裂隙数目以及裂隙长度对其影响不大,均为劈裂破坏,且破坏面不一定为裂隙面;预制裂隙长度越大,越容易产生除了主拉裂纹以外的支裂纹（压裂纹）。研究结果可为寒区岩体工程建设及运营提供科学的参考。     

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

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。     

反倾软硬互层岩质边坡倾倒变形破坏机理与影响因素研究

倾倒变形常见于反倾结构边坡,特别在具有软硬互层结构边坡中,甚至可发育为深度上百米的大型滑坡。为进一步探明此类反倾边坡倾倒变形的破坏机制,以及边坡形态结构及岩体力学参数等因素的影响规律,以离心模型试验为原型,结合离散元数值模拟,分析了倾倒变形的形成过程以及在外界扰动下的破坏机制。并通过单因素分析法、正交设计法等,研究了多种因素对反倾边坡倾例变形的影响,通过极差分析获得了各因素的敏感性。通过在岩层内预置大量多边形随机裂隙,数值模拟较好地实现了对破裂面起裂及延展规律的模拟。结果表明:离心模型试验可较好地还原倾倒变形过程,而离散元数值模拟则可对实验结果进行有效的重现与扩展,两者吻合度良好;岩体变形过程存在3个阶段,即起始变形、稳态变形和失稳破坏等阶段;破裂面呈弧形,在变形积累到一定程度后快速形成;边坡可自下而上形成多级破裂面,并伴随岩层的强烈弯曲变形,在外界扰动下,倾倒变形体将由外到内沿不同破裂面形成渐进后退式破坏;多种影响因素中,边坡形态结构影响最大,层面参数次之,软硬岩岩石力学参数的差异影响较小;具体而言,边坡形态与坡体结构对倾倒变形的影响性大小表现为坡角＞倾角＞坡高＞坡形＞层厚比＞层厚,坡角、倾角、坡高越大,坡形越外凸,软硬岩层厚差越小,倾倒变形越容易发生;边坡变形规模主要受形态结构因素控制,倾角和坡角影响最显著。     

反倾岩坡倾倒变形结构面影响效应研究

为探究斜坡内赋存不同角度裂隙对反倾岩质斜坡倾倒变形影响效应,设计9组底摩擦试验,对比无裂隙、含一组陡裂隙和一陡一缓两组裂隙的3种类型试验,并研究不同裂隙角度对破裂面影响效应。研究发现:陡倾裂隙倾角的变化对岩坡变形及主破裂面形态有明显规律性影响,陡倾裂隙倾角越陡,发生倾倒破坏的初始破坏部位逐渐偏浅,破坏面积相对减小,破裂面从近直线型逐渐转变成近弧形;缓倾裂隙的赋存,使陡倾裂隙顺尖端开裂增长并且相互沟通形成贯通的破裂面过程更加快捷;主破裂面上覆层状岩体在倾倒变形时,会在其中部产生反向弯曲折断;通过定量分析,发现随着陡倾裂隙倾角增大,岩坡倾倒变形破坏幅度降低,而主破裂面无论是长度还是反映迹线复杂度的分维值亦随之降低。