结构面闭合变形法则及岩体弹性变形本构方程

岩体变形是岩体力学作用研究的重要课题之一。这一课题近年来愈来愈多的受到重视,人们已经认识到,岩体变形在低应力水平阶段常存在有裂隙压密成分,致使岩体应力应变曲线呈曲线特征。可是目前在岩体变形研究中仍习惯地采用一次线性关系的虎克法则表征岩体变形本构方程。这是不合适的。可是至今还没有一个合适的方程来取代它。R.E.Goodman曾对这个问题进行过研究。近年来笔者对这个问题从两个方面进行了研究:①结构面闭合变形法则;②岩体变形的本构规律。兹将初步结果提出来共同商讨。     

加载速度对强度和破坏机制的影响

岩体力学实验中,加载速度对岩体力学性质的影响是很重要的。许多岩体力学工作者,利用岩块和模型材料,进行了大量有关室内加载速度对岩体力学性质影响的研究,为室内岩块力学试验和野外原位岩体力学试验选取合理加载速度提供了依据。目前,基本上从应变速率和应力速率两方面去研究加载速度对岩体力学性能的影响。这两方面的研究都认为随着应变速率和应力速率的增加,岩块和岩体的强度、变形模量也相应增加,不同的是峰值强度以后的破坏后效不同。     

论岩体力学模型

岩体力学是研究现状的地质体受力条件改变时产生变形、破坏及其力学性质形成规律的科学。地质体与一般材料不同,由于其成因和经历的历史过程不同,致使其成分、结构及其形成条件不同。故现状的地质体当受力条件改变时,其力学作用,即变形和破坏机理亦不同。在进行岩体力学研究时,必须清楚地看到这一点。当前岩体力学研究成效不大的重要原因之一,就是没有注意地质体这一特点,在进行岩体力学研究时,不加分析地把地质体一律做为连续介质力学模型处理,显然是不合适的。     

以工程地质观点探讨岩体的力学属性

岩体力学是近年来应生产实践需耍而开始形成,井有所发展的学科。从它的应用中提出了若干重要的课题,首先是岩体力学属性问题,即从力学观点看来,岩体究竟是何种介质,具有什么特性:是弹性体或塑性体,是均一体或非均一体,是各向异性体或同性体,是连续体或不连续体等。它们决定岩体力学分析途径,因而是目前着重研究以求阐明的基本问题。限于水平,本文仅作粗浅探讨,谬误之处请读者批评指正。     

霓石正长岩力学特性研究

岩体内存在有许多直接看不到的隐微裂隙,其微小程度有时可达到只切割一个或半切割一个微小矿物颗粒。这些微小裂隙,直接影响着岩体的力学特性。因此,对岩体力学特性研究,不仅要从宏观上做大型岩体力学试验,也应从微观上将两者结合起来综合分析岩体的力学特性,这样将有利于宏观岩体力学性质指标的选择和工程处理措施的方案选择。笔者取霓石正长岩为试样,进行岩体力学试验。本文试图把宏观试验和微观观察结合起来研究岩体的力学特征。     

一种常见的岩体结构——板裂结构及其力学模型

岩体结构观念的提出对岩体工程地质和岩体力学的研究具有重要意义。岩体结构类型划分方案已经提出了许多,已有的岩体结构划分原则主要是岩体破碎程度。谷德振、孙玉科等曾提出过岩体结构基本单元是:结构面和结构体。1977年底谷德振教授曾提出过,碎碎带应作为一种岩体结构单元问题,没有引起人们的重视。     

非线性问题的有限单元法在工程地质中的应用

使用有限单元法对岩石基础、边坡和巷道等问题进行稳定分析在国内外做了大量的工作。本文结合我们自己的工作,以平面问题的位移法为例,介绍物理上非线性物体的有限单元分析的基本原理,并对某些具有非线性应力应变关系的岩体介质以及诸如节理、断层等间断面提出一些简单的力学模型。此外,还介绍几个和这些力学模型有关的通用程序以及使用它们得到的某些工程的计算成果。     

锯齿状结构面力学效应实验研究

结构面在三度空间展布的形状称结构面形态。结构面形态是地质体发生变形和破坏后遗留下来的产物。在原位大型岩体力学实验中,结构面形态常常引起实验数据分散和产生不同的破坏机制;在岩体稳定性分析中,结构面形态又是影响结构面整体强度的重要方面,并涉及到工程岩体稳定性分析合理与否。因此有必要对结构面形态的力学效应进行研究。本文以锯齿状结构面为例,采用力学模型实验和理论相结合来讨论结构面的形态效应。     

确定流变岩体的参数及地应力的位移反分析法

在隧道设计和施工中,工程师需要确定岩体的力学参数和地应力场。对于软弱地层,我们还将遇到流变问题。具体地说,我们在作工程设计前就需要确定地应力分量、岩体的弹性模量以及反映岩体流变特性的粘滞系数等重要参数。一般而言,这需要在野外作相应的岩体力学试验来确定。     

岩体结构力学

岩体力学是解决土木工程、矿山工程、国防工程建设中存在的岩体工程建筑的基础理论。但是工程界仍感到已有的岩体力学理论解决实际问题的能力很低。作者认为原因有两条:(1)岩体力学研究与地质研究脱节,(2)已有的岩体力学理论不能反映岩体力学的真实规律。已有的岩体力学理论是从材料力学和土力学移植过来的,实质上是连续介质力学,不符合岩体的地质实际。     

论岩体结构控制论

经过长期实践和研究,作者于1984年提出岩体结构控制论是岩体力学的基础理论,并全面、系统地以岩体结构控制论为指导研究了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质的基本规律;提出岩体变形系山岩体材料变彤和岩体结构变形共同贡献的,岩体破坏系受岩体材料破坏和岩体结构破坏控制的;岩体力学性质不仅决定于岩体材料力学的性质,而且受控于岩体结构力学效应及环境因素力学效应。在此基础上,作者提出了岩体可以划分为连续介质、碎裂介质,块裂介质及板裂介质四种岩体力学介质,从而建立了完整的岩体结构力学理论体系。     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。     

An Anisotropic Geomechanical Model for Jointed Rock Masses at Taishan Nuclear Power Station, Southern China

An anisotropic geomechanical model for jointed rock mass is presented. Simultaneously with deriving the orthotropic anisotropy elastic parameters along the positive axis, the equivalent compliance matrix for the deflection axis orthotropic anisotropy was derived through a three-dimensional coordinate transformation. In addition, Singh’s analysis of the stress concentration effects of intermittent joints was adopted, based on two groups of intermittent joints and a set of cross-cutting joints in the jointed rock mass. The stress concentration effects caused by intermittent joints and the coupling effect of cross-cutting joints along the deflection-axis are also considered. The proposed anisotropic mechanics parameters method is applied to determine the deformation parameters of jointed granite at the Taishan Nuclear Power Station. Combined with the deterministic mechanical parameters of rock blocks and joints, the deformation parameters and their variability in jointed rock masses are estimated quantitatively. The computed results show that jointed granite at the Taishan Nuclear Power Station exhibits typical anisotropic mechanical characteristics; the elastic moduli in the two horizontal directions were similar, but the elastic modulus in the vertical direction was much greater. Jointed rock elastic moduli in the two horizontal and vertical directions were respectively about 24% and 37% of the core of rock, showing weakly orthotropic anisotropy; the ratio of elastic moduli in the vertical and horizontal directions was 1.53, clearly indicating the transversely isotropic rock mass mechanical characteristics. The method can be popularized to solve other rock mechanics problems in nuclear power engineering.     

非均质共面断续节理岩体拉伸剪切破裂机制研究

工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。     

全长粘结式锚杆加固节理边坡的动静态位移响应

锚杆通常被作为表面粗糙的轴力杆单元进行分析,但在节理边坡加固中,由于节理面的错动,同时考虑锚杆的轴向和横向作用显得更加合理。通过理论分析,建立锚杆三弹簧单元的力学特征模型和变形特征模型,对其受力和变形进行全面分析;运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),建立以理想弹塑性本构Mohr-Coulomb准则为基础的节理边坡模型,应用三弹簧锚杆单元,对其锚固前后的动静态位移响应进行模拟。结果表明：节理面锚固处理后,岩体的刚度得到提高;边坡各部位的位移减小,节理两侧位移的突变值变小;锚杆对节理的上下盘岩体起到有效的拉结作用,抑制了两盘之间的较大变形位移,有利于边坡稳定。     

块状结构岩体力学的回顾与展望

从结构面的特性、块状结构岩体的局部稳定性、块体结构岩体的整体稳定性、块状结构岩体的力学参数、块状结构岩体渗流五个方面,简要地回顾了具有块状结构特征的岩体力学发展过程及研究现状。指出块状结构的岩体本身是一 种特殊的工程材料,不确定、非均质、各向异性、非连续、非线性是其主要特征。认为块状结构岩体力学的发展方向应进一步采用不确定性理论、现代非线性系统动力学原理与传统理论结合的研究理念。     

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。