拉力型锚杆锚固界面剪应力分布偶应力理论分析

锚杆锚固段界面剪应力分布规律是锚杆设计研究的重点,直接影响锚固效果。锚固段界面上的剪应力会引起界面附近的岩土体较大的应变梯度,而用经典弹性理论分析锚固段剪应力时没有考虑应变梯度。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑弯曲效应对介质变形特性的影响,基于该理论建立平面应变问题的有限元计算模型,研究拉力型锚杆锚固段界面上的剪应力分布、界面附近的边界层效应和偶应力的尺度效应,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行比较。结果表明,在偶应力理论下,拉力型锚杆锚固段界面的剪应力和剪应变有所减小,特别是峰值处的剪应力减少明显;界面处的剪应力不再连续;界面附近的剪应变突变有所改善,出现一个过渡区域。特征长度减小,过渡区域变小,应变梯度增大,第二剪切模量对剪应力分布的影响不明显。     

节理岩体三维偶应力弹性理论

节理的存在使得岩体的力学特性十分复杂。偶应力理论考虑了介质内颗粒尺度的影响，它以具有一定尺度的微元体为研究对象，引进了偶应力及弯曲曲率的概念，从而考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响，可以用来解决岩土工程中的地下洞室底鼓、顶板开裂及反倾向层状岩体的弯曲倾倒等弯曲变形及弯曲破坏问题。本文考虑了节理间距的影响，对节理岩体的空间间题提出了弹性偶应力理论并建立了有限元计算模式，最后通过算例说明用偶应力理论解决上述问题的有效性。     

持续开挖效应下结构面剪切力学性质与能量特征研究

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况,开展考虑持续开挖效应,充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面,开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验,系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明：开挖扰动荷载强度越大,结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大,但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%;考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时,且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关,声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值;持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加,但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻;考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大,均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值,持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度,但更易引发结构面发生剪切破坏。     

层状岩体巷道弯曲变形的有限元模拟

在缓倾斜或水平层状岩体中开挖巷道时巷道顶底板弯曲变形和破坏的问题十分突出,巷道往往因这些部位发生过大变形而率先破坏,导致结构的整体失稳。根据层状岩体的特点,分析了其弯曲变形破坏的机理和条件,利用考虑偶应力的Cosserat介质理论,基于Matlab平台编制了相应的计算程序,对水平层状岩体巷道的变形特征及影响因素进行了模拟研究,结果表明Cosserat理论对层状岩体巷道的开挖模拟是适用的,而且简便。     

具有弯曲效应的层状结构岩体变形的Cosserat介质分析方法

在反倾向层状岩体边坡、有底鼓现象的巷道以及隧洞工程中，岩体常出现弯曲变形及弯曲破坏现象。常规的等效连续介质理论忽略了梯度应力的影响，因而不能很好解决上述工程问题．Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论以具有一定尺度的微元体为研究对象，引进了偶应力及弯曲曲率概念，从而考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。本文首先介绍Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论的基本原理，然后建立有限元计算模式，最后通过算例，说明这种模式对计算具有弯曲效应的展状岩体变形问题是有效的。     

岩体结构效应与长远程滑坡动力学

岩体结构是岩体的固有属性。结构面和结构体是岩体结构的组成单元,当岩体发生形变时,这些单元会起到控制作用（谷德振,1979）。长远程岩质滑坡中岩体结构单元往往伴随着整个滑坡运动的过程,这是由于岩体内在的结构控制着岩体变形、破坏的机制与运动方式。虽然目前存在多种关于长远程滑坡的理论假设和基于各种理论假设的实现模型,然而这些模型的大多忽略了岩体结构效应这一本质问题。本文在系统总结了目前已有长远程滑坡理论和模型的基础上,讨论了长远程岩质滑坡动力学关键参数,动力学机制和动力学过程模型中的关键岩体结构效应问题,提出了考虑岩体结构效应的滑坡动力学可能的研究方向。     

三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究

针对含结构面岩石的脆性破坏现象,探讨了三向应力条件下岩体破坏的单结构面控制效应。利用真三轴试验进行验证,系统研究了单结构面岩石试样在模拟工程岩体开挖卸荷与支护应力路径下的力学行为、结构控制规律及声发射（AE）特征等。研究表明,(1) 三向应力下单结构面控制效应能够较好地描述工程岩体的结构控制规律和卸荷、支护作用,真三轴试验结果与理论分析较为吻合;(2) 开挖卸荷与支护应力路径下,含结构面岩体的破坏模式、卸荷的影响和支护效果等均与应力状态、支护强度及结构面参数有关,可依据结构控制规律,从工程方位布置、提供合理支护等方面采取措施避免岩体发生结构控制破坏;(3) 试样的AE活动和能量释放规律与完整试样相似,但结构面的存在降低了试样储能能力,且95 %以上的应变能在破坏阶段突然释放。试验研究和结构面控制效应的探讨对地下工程岩体开挖支护有一定的指导意义。     

考虑荷载方向效应的软硬相间层状岩体综合变形模量取值研究

基于整体受力特征,提出用综合变形模量来表征多层层状岩体的整体变形效应。通过工程实例,建立体现各项异性特性的软硬相间层状岩体综合变形模量理论模型。采用弹性力学分别推求受力方向平行、垂直以及与层面呈任意角度情况下多层层状岩体综合变形模量理论解,并检验理论解一致性。推导受力方向平行层面的综合泊松比理论解和受垂直层面剪应力作用的综合剪切模量理论解。室内分别建立层面倾角为0o、30o、60o、90o的软硬相间层状岩体地质模型,试验获得其综合变形模量。对比分析试验值和理论计算值,两者差别在4.20%～8.77%之间,验证理论解的正确性。从理论分析和试验角度,研究工程荷载方向效应对层状岩体变形特性的影响,丰富完善现有层状岩体力学参数研究理论和技术方法。     

饱和稀疏裂隙岩体三维水流-传热过程中位移和应力的一种半解析计算方法

针对高放射核废深地质处置库近场环境,建立分布热源作用下饱和裂隙岩体三维水流-传热过程中位移和应力的一种半解析计算方法：采用Goodier热弹性位移势和Laplace变换计算由温度梯度产生的温梯位移和应力;考虑单一裂隙的情况,利用经典弹性力学的Boussinesq解和Cerruti解计算为满足边界条件的约束位移和应力,与温梯位移和应力叠加,可得总体热位移和应力;把裂隙面离散为矩形单元集合,采用极坐标系下的解析法计算包含奇点的单元积分,采用数值法计算与分布热源有关和不含奇点的单元积分。与基于裂隙面法向一维热传导假设的一种解析解对比,结果表明,半解析法与解析法的计算结果基本一致,但由于半解析法考虑岩石的三维热传导,因温度时空分布和演变的不同而导致不同的温梯应力。针对一个假想单裂隙岩体三维水流-传热过程,计算温梯位移和应力、约束位移和应力、总体位移和应力;结果表明,裂隙水流-传热可能对位移和应力的分布和演变有显著影响,距离分布热源较近的岩石因升温膨胀受到约束而出现压应力,而距离分布热源较远的岩石则可能因协调收缩受到约束而出现拉应力。     

基于改进投影覆盖法结构面粗糙度尺寸效应分析

研究结构面粗糙度的尺寸效应特征对全面理解结构面的力学性质有重要的意义。基于此,将随机数应用于投影覆盖法中,改进了投影覆盖法计算结构面分维数时三角形单元划分方法;在分辨率相同情况下,应用改进投影覆盖法计算了两个形貌特征不同的结构面（2 m×2 m）尺寸大小不同时的分维数;探讨了用取自不同区域位置相同尺寸结构面的最大分维数差值来判定结构面合理尺寸的方法。研究结果表明:（1）形貌特征不同的结构面尺寸效应特征不尽相同,一般情况下,随尺寸增大,结构面粗糙度先增大而后减小,即在小尺寸时表现为正尺寸效应,而后为负尺寸效应;（2）对于某一特定结构面,不同尺寸范围选取位置不同,其尺寸效应特征也不尽相同;（3）不同区域位置相同尺寸结构面最大分维数差值随尺寸的增大,其总体趋势为先减小而后逐渐趋于稳定。该研究结果是全面认识结构面粗糙度尺寸效应的有益补充,为确定结构面合理尺寸提供一条新途径。     

A continuum model of layered rock masses with non-associative joint plasticity

Layered rock masses can be modelled either as standard, orthotropic continua if the layer bending can be neglected or as Cosserat continua if the influence of layer bending is essential. This paper presents a finite element smeared joint model based on the Cosserat theory. The layers are assumed to be elastic with equal thickness and equal mechanical properties. All the cosserat parameters are expressed through the elastic properties of layers, layer thickness and joint stiffness. Plastic-slip as well as tensile-opening of layer interface (joint) are accounted for in a manner similar to the conventional non-associative plasticity theory. As an application, the behaviour of an excavation in a layered rock mass is examined. The displacement and stress fields given by smeared joint models based on the Cosserat continuum and the conventional anisotropic continuum approaches are compared with those obtained from the discrete joint model. The conventional anisotropic continuum model is found to break-down completely when the effective shear modulus in the direction parallel to layering is low in comparison to the shear modulus of the intact layer, whereas the Cosserat model is found to be capable of accurately reproducing complex load–deflection patterns irrespective of the differences in shear moduli. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

Experimental and numerical study of sand–steel interfaces

Experimental and numerical studies on and sand–steel interfaces are presented. Emphasis is laid on the effect of boundary conditions of the whole system and of localized deformation. The experiments with different roughness of steel surface, sand density, normal stress and grain size are carried out in a plane strain apparatus, a parallely guided direct shear apparatus and in a planar silo model with a movable bottom and parallel steel walls. During the test in the plane strain apparatus the localized zone is observed with the help of X-rays. The results indicate a significant effect of wall roughness and boundary conditions of the whole system on the wall friction angle and the thickness of the localized zone along the steel surface. An elastoplastic constitutive model established within the framework of a Cosserat continuum, capable of describing isotropic hardening, softening and dilatancy, is implemented in a finite element code. The model differs from the conventional theory of plasticity due to the presence of Cosserat rotation and couple stress using the mean grain diameter as the characteristic length. Finite element simulations of simple shear tests are presented. The additional boundary condition along the steel plate, characteristic of the Cosserat continuum, allows for modelling the different roughness of the steel plate with consideration of grain rotations. A comparison between the numerical calculations and the experimental results shows acceptable agreement.     

天福庙拱坝坝肩抗滑稳定性研究

本文介绍了天福庙拱坝坝肩岩体稳定性研究,并提出了相应加固措施的建议。即在详尽的工程地质水文地质调查的基础上分析出各种可能的失稳机制,并组合出各种滑移边界条件;通过现场和室内岩体力学试验,测出构成边界条件的各种地质结构面的抗剪强度和变形常数;通过三维有限元弹性分析计算,得到应力应变和破损区的分布,检验了失稳机制和边界条件的合理性;通过刚体极限平衡法,计算出各种荷载和边界条件组合情况下的抗滑稳定安全系数;尔后针对最不稳定边界条件及其控制稳定性的主要因素,提出有效的加固措施的建议。文中还讨论了岩体和各种软弱结构面抗剪强度的取值原则、试验值的使用原则以及非均质结构面和组合结构面的综合抗剪强度问题。     

深部围岩非规则破裂化的温度效应分析

利用FLAC3D中应变软化模型和温度模式建立数值计算模型,考虑初始地应力中温度热应力的修正并以函数的形式嵌入,讨论了非规则破裂化现象中应力及塑性区的特征。考虑地层温度和岩体热力学参数对深部围岩非规则破裂化的影响,分析围岩最大最小应力及塑性区特征。数值分析表明:FLAC3D塑性区图中呈现明显的非规则破裂化现象,而且随着地层温度升高和线膨胀系数增大,深部围岩非规则破裂化趋于严重;线膨胀系数大的围岩受温度影响较大。比热容和导热系数对深部围岩非规则破裂化影响微弱。得到了震荡的最大最小主应力曲线,最大剪应力与塑性区呈现出与最大剪应力理论相似却又不同的关系,即非规则破裂塑性区外边界和最大剪应力曲线的主峰值存在对应关系,但最大剪应力曲线主峰值相对于塑性区外边界存在滞后性。     

基于罚函数偶应力理论的土体应变局部化研究

与 Cosserat 理论相比,偶应力理论在一定程度上可以降低数值框架的复杂度,已逐渐应用于岩土体应变局部化分析中。然而,一般的偶应力有限元法需要满足 C¹连续性,即单元内部和单元交界面上的应变都需要具有连续性。为了避免开发较为复杂的C¹型偶应力单元,在 Cosserat 连续体理论框架下,通过借助罚函数方法对 C¹连续性进行松弛来获得偶应力理论的逼近解,建立了基于罚函数的偶应力有限元方法 PCS-FEM。通过平面应变条件下的弹性圆孔应力集中问题对 PCS-FEM 方法的有效性进行了验证,并应用于土体应变局部化分析中。通过对Ottawa砂的平面应变试验进行数值模拟,发现 PCS-FEM 方法获得的应力−应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果基本一致,且能够克服经典连续体理论病态的网格敏感性问题,保证应变局部化问题的适定性;通过对承受偏心荷载作用下的土坡应变局部化经典算例进行分析,发现 PCS-FEM 方法同样可以克服土坡应变软化阶段的网格敏感性问题,展现土体的渐进破坏过程。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨

层状岩体的非均质性及各向异性导致其破裂方式及规律与均质岩体有显著不同。对层状岩体分别进行不同方式的单轴、双轴、三轴试验, 分析应力-应变曲线特征; 再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟, 观察应力、应变在岩体上的分布, 通过曲线和图件的对比分析, 并结合岩石破裂理论, 总结不同应力状态下层状岩体的破裂方式、顺序及规律; 最后以富台地区为例, 对分析结果进行验证。研究结果表明, 不同受力方式对层状岩体破裂的影响体现在施加的载荷及约束与层面的方位。当应力方向与岩层面平行时, 强度大的石灰岩岩体发生集中应力, 首先破裂; 而应力与岩层面垂直时, 强度小的泥岩岩体首先破裂。岩石试验、数值模拟结果以及实例均成功验证了这个规律。      

Numerical simulation of crack propagation in layered formations

In the present study, a boundary element method based on the higher order displacement discontinuity formulation is presented to solve the general problem of hydraulic fracture propagation in layered formations. Displacement collocation technique is employed to model the higher order displacement variation along the crack and the special crack tip element near its ends. The hydraulic fracture propagation and its interaction with the layer interface in non-homogenous rock materials are studied by the proposed semi-analytical (hybridized boundary element-boundary collocation) method. The maximum tangential stress criterion (or σ-criterion) of fracture mechanics considering different elastic constants (Young modulus and Poisson’s ratio) is used to obtain the fracture path. The fracture propagation from stiff to soft and soft to stiff media for cracks having different inclination angles is modeled, and the effects of elastic constants on the hydraulic fracture propagation is studied. The results show that if the hydraulic fracture originates in the stiffer layer, its capability to cross the layer increases and is vice versa for the softer material. The comparison of the results gained from the numerical method with those in the literature show a good performance of the method in the case of propagation of hydraulic fracture in layered formations.     

红透山铜矿区F8断层构造应力场的有限元数值模拟

针对断层对周围岩石地层影响的问题,本文提出了一种有限元算法计算模拟该断层对周围地层产生的应力场和位移场。首先,根据最大主应力、中间主应力和最小主应力来研究正断层、逆断层以及走滑断层的应力状态;其次,基于弹性力学相关理论研究应力—应变关系,采用线性四面体单元有限元分析方法进行算法实现;最后,在考虑到断层两侧岩体的物理性质(弹性模量和泊松比)、断层几何形态以及边界条件等情况下,应用有限元法模拟正断层、逆断层以及走滑断层在层状岩体中产生的应力场和位移场。以红透山铜矿区F₈断层为例,通过地质勘探获得的资料判别该断层性质及其周围地层属性,使用本文构建的有限元算法模拟了该断层对周围地层产生的应力场和位移场。