岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。     

单轴拉伸岩样破坏过程及尺寸效应数值模拟

由于从实验及理论角度研究岩样单轴拉伸条件下的破坏全过程及尺寸效应难度都很大。因此采用拉格朗日元法来研究这些问题。在峰值强度之前后,岩石材料的本构模型分别取为线弹性及拉破坏线性应变软化模型。为了使拉伸塑性区不出现在试样的端部,在试样的两侧面中部预制了2个凹槽。数值模拟结果表明,全程拉应力-拉应变曲线分为峰前和峰后阶段。在接近峰值的峰前阶段,由于两凹槽附近具有明显的拉应力集中现象,拉伸塑性区最先出现在两凹槽附近。随着轴向拉应变的增加,发生拉伸破坏的单元的数目增加,新发生拉伸破坏的单元越来越接近试样的中心,直到两块拉伸塑性区在应变软化阶段贯通。两凹槽连线上各单元拉应力的分布呈现3个阶段,“澡盆型”（“U型”）阶段,“双峰型”（“M型”）阶段及“单峰型”（“Π型”）阶段。“澡盆型”阶段对应于全程拉应力-拉应变曲线的弹性阶段。“双峰型”阶段及“单峰型”阶段对应于全程拉应力-拉应变曲线的非弹性阶段（包括峰值强度之前的一小段,即应变硬化阶段及峰后的应变软化阶段）。增加试样高度及降低试样宽度,拉应力-拉应变曲线的软化段变得越来越陡峭,因而试样越容易发生失稳破坏。由于试样宽度较大时,试样内部的单元并非处于单向拉应力状态,因此,增加试样宽度,全程拉应力-拉应变曲线的峰值强度增加。当试样宽度较小时,从出现塑性区,到塑性区贯通所需要的时间步较小,或应变范围较窄。这说明试样的脆性较强,前兆不明显。前兆不明显的脆性破坏对应常见的是洞室岩爆、冲击地压及地震等灾害。     

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

利用FLAC3D数值软件中的应变硬化—软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析。结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程。端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度。光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界。随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势。这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程。     

模拟摩擦接触问题的新型无网格数值方法

针对摩擦接触问题,给出一种新型的无网格数值方法。该方法基于单位分解思想,在标准无网格Galerkin法的位移模式中嵌入不连续函数和裂尖奇异函数,分别反映接触面的不连续性和接触面端点的奇异性;结合接触摩擦定律,继而构造出求解摩擦接触问题的无网格线性互补模型。在该方法中,接触面方程使用接触点对离散,全局离散系统方程则转化为标准的线性互补问题,可以很方便地使用Lemke算法求解。算例分析证明,本文方法的正确性和有效性。     

接触摩擦问题的数值模拟

无网格伽辽金法(EFGM)可脱离单元的概念,特别适合岩体裂纹面的接触摩擦分析。基于EFGM,在裂纹面引入罚参数,通过迭代计算,得到裂纹面真实的应力状态,从而模拟闭合裂纹的粘接、滑移和张开行为,数值结果表明该方法是合理可行的。     

天然气水合物注热开采近井储层变形破坏的数值模拟研究

为了研究海洋地层中天然气水合物注热开采条件下,水合物沉积层近井储层的力学性质变化规律和变形破坏规律,基于多场耦合理论,考虑水合物分解产生的水、气形成的超静孔隙压力对地层有效应力的影响,建立了能够反映水合物注热分解条件下水合物沉积层温度场、渗流场和变形场耦合作用关系的热流固耦合弹塑性模型,并以ABAQUS软件为开发平台,在Fortran语言环境下编制子程序进行数值模拟。结果表明:注热温度越高,近井储层力学性质劣化的区域与有效应力减小的幅度越大,发生塑性变形破坏的范围和产生的等效塑性应变值也越大;井口最小水平地应力方向的有效应力值最小,等效塑性应变值和体积应变值最大,是首先发生变形破坏的关键位置;井口同一位置的有效应力随注热温度的升高而减小,而体积应变则随注热温度的升高而增大。     

复杂洞群地下水渗流效应的数值模拟

采用三维有限差分FLAC3D程序,以二滩工程地下洞群的结构形式为背景,考虑与不考虑节理岩体静水渗流对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。对毛洞开挖时主厂房边墙关键点的位移和主厂房的塑性区进行了系统分析,得到相应的结论,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。     

平面应变状态下岩石剪切带网络数值模拟研究

研究了围压、端面约束、试件高度及界面特性对剪切带网络形成的影响。首先对影响剪切带网络形成的因素（包括试件高度、围压及温度、试件端部轴向应变大小的计算方法的差异）进行了分析。之后采用FLAC 3D对平面剪切带网络进行了数值模拟,其中摩擦角及内聚力为应变软化。探讨了倾向于出现剪切带网络的若干条件。若端面缚束较强且存在一定的侧压力,试件中部出现多重剪切带。若端面缚束较弱,试件端部易于形成剪切带网络,且随试件高度的增加剪切带条数增加。界面法向和切向刚度越大,剪切带穿越断层并按其固有方向延伸能力越强,剪切带网络格局越明显。获得的数值结果可在实验中找到佐证,并且可以用来解释地震中的一些剪切应变局部化现象。     

岩石三维破坏数值模型及形状效应的模拟研究

应用RFPA3D分别模拟了理想光滑端部加载和限制性加载端部情况下不同形状的岩石在单轴压缩下的破坏过程。模拟结果表明,试样形状对岩石的抗压强度、变形特征以及破坏模式有很大影响。岩石试样的强度随着长宽比的增加而减小,当长宽比超过2.5以后单轴压缩强度趋于稳定。理想端部下,长宽比较大的试样主要是剪切破坏模式;而长宽比较小时,主要是因为拉伸引起破坏。端部效应是引起试样拉伸破坏的一个重要因素,但是即使采用光滑端部,试样的形状效应依然存在。长宽比的逐渐增加使岩石逐渐由延性破坏向脆性破坏转变。     

岩石块体滑动的界面摩擦阻抗时效研究

基于岩石块体摩擦滑动试验反映的特征规律 ,本文分析了岩块随时间滑动的界面阻抗机理 ,并建立粘滑位移弱化时反映滑动界面阻抗时间效应的模型公式阻抗松弛模型。     

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈S形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

工程岩体地质力学作用过程的数值模拟

工程岩体地质力学作用过程的数值模拟, 是研究岩石工程设计、施工问题的有效途径。本文提出了工程岩体计算数据智能化准备与确定子系统、地质力学作用过程的仿真数值模拟及其快速图形处理子系统, 并将其集成为一体。系统采用人机交互界面及多系统的自动转换, 使整个分析系统能充分发挥其模拟分析及图形处理功能, 方便实用。     

巷道围岩松动圈影响因素的敏感性数值计算

数值计算是预测围岩松动圈的一种有效方法,而各种影响因素的参数输入又是数值计算方法可靠性的关键所在。本文结合任楼煤矿中三轨道大巷已有实测位移和松动圈厚度,分析了各影响因素对围岩的影响性,研究了各影响因素对松动圈厚度的敏感性。计算结果表明,围压正向变化到一定程度后,增加的围压有一部分消耗在了已破碎围岩的二次破碎; 在实际岩层中开挖,只要巷道开挖就必然产生松动圈; 无构造应力情况下,围岩松动圈厚度主要取决于围岩的岩性和结构,各影响因素对松动圈厚度的敏感程度从高到低依次为围岩强度、巷道跨度、巷道断面尺寸、巷道围压和支护条件。     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

预应力锚索锚固效应的三维数值模拟及其工程应用研究

预应力锚固技术在岩土加固的各个领域中得到了广泛的应用,但是关于其锚固机理的研究仍处于探索阶段。本文采用快速拉格朗日分析法(FLAC3D)对预应力单、群锚体系作用下锚固段、自由段以及锚头部位的受力、变形和破坏机理进行了三维数值模拟分析,探讨了影响锚固段剪应力分布的一些因素,在此基础上得出了一些有益的结论,可为预应力锚固的工程设计和理论研究提供参考。最后,将其应用到工程实践中,证明了其有效性。      

不同侧压系数条件下深埋洞室围岩应力和变形特征数值分析

基于圆形和矩形两种典型断面洞室,利用岩土数值分析FLAC3D软件,模拟了不同侧压系数条件下其围岩的应力和变形特征。结果表明：侧压系数小于1时,洞室开挖后围岩的大主应力最大值、剪应变增量最大值分布在洞室左右两侧,位移最大值分布在洞室顶部,剪应变增量分布区域近似为长轴与Z轴平行的椭圆;大于1时,大主应力最大值、剪应变增量最大值分布在洞室顶部和底部,位移最大值分布在洞室左右两侧,剪应变增量分布区域近似为长轴与X轴平行的椭圆;进一步分析和得到了洞室围岩最大主应力、剪应力、位移以及剪应变增量在不同侧压系数下的变化规律。研究成果对地下洞室水平应力影响的研究和洞室断面形状的选择有一定的意义。     

岩土力学数值模拟结果应用中应注意的问题

较系统地阐述了岩土力学数值计算结果应用中应注意的一些问题，指出数值计算结果虽然是定量的，但它们对实际问题的描述是滞具有定量性意义，则取决于对原型的研究程度和模型力学参数取值的可靠性，阐述了数值模拟中可能产生的计算误差，说明岩体破坏的相对性含义，指出综合运用各种分析方法的必要性。     

复杂受力条件下岩质高边坡稳定性数值模拟

本文使用基于有限差分法的FLAC软件对岩质高边坡进行了数值模拟分析。在着重考虑桥基荷载影响的思路下,通过模拟高速公路边坡开挖前、开挖后、桥基施工后以及施加锚杆等加固措施后这4种不同复杂工程情况下的计算模型,得出以上4种模型的边坡位移场、塑性区分布和边坡稳定性系数的变化,以此来评价岩质高边坡的稳定性。本文重点地研究了桥基荷载对于边坡稳定性的影响以及锚索加固对于补偿桥基荷载负面作用的大小。