裂隙岩体宏观力学参数的二维数值模拟

岩体通常含许多不同尺度的裂隙,因而力学性质非常复杂。由于现场测试及常规实验室试验常受各种条件的限制,因而其不能准确反映岩体的宏观物理力学性质。本文基于有限元分析软件对二维情况下的完整岩体和含不同倾角的软弱夹层的岩体在单轴和双轴压缩下进行了数值模拟,得到岩体变形的应力-应变曲线。该类曲线能反映裂隙对岩体力学参数的影响,对于指导工程实践有一定的意义,并且为获取岩体力学参数提供了新的途径。     

加锚预制裂隙类岩体锚固机制试验研究及其数值模拟

为研究锚杆对裂隙岩体的锚固机制及其影响因素,对预制锚固单排裂隙试件进行单轴破断试验。提出了主控裂纹的概念,即控制试件强度弱化和最终破坏的一条或几条大裂纹称为主控裂纹。在不同的锚固条件下主控裂纹会有不同的产状：在有效锚固范围内,裂隙试件具有横向和纵向两类主控裂纹,而在无锚或有效锚固范围之外的试件仅有纵向一条主控裂纹贯通。通过声发射和应力监测表明,在有效锚固范围内锚杆能延迟主控裂纹产生和提高裂隙试件强度。另外,利用ANSYS软件对不同锚固条件下的裂隙尖端应力强度因子进行数值计算,得到了锚固距离和锚固倾角与裂隙尖端应力强度因子之间的关系;通过FLAC3D模拟了不同锚固距离下主控裂纹贯通模式,数值模拟与试验结果比较吻合。     

裂隙岩体水力特征数值模拟试验的初步结果

本文利用文献中的数据进行数值模拟试验,结果表明:流量等效和渗透作用力变形效果等效互不包容;不同级别结构面体系难以用连续介质方法处理,同级别结构面体系在工程作用力变化范围内,可由其静态水力特征推演动态特征;工程岩体结构面间充分连通的假设过于粗糙,常规试验手段获取的量值倾向于局部特征的反映。     

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。     

裂隙性粘土力学效应的数值模拟研究

通过对粘土体中普遍发育的三种裂隙模式（平行斜列式、水平波状式和羽斜列式）在荷载下其复合应力、位移场的数值模拟研究,对不同组合模式的裂隙力学效应进行了讨论。     

基于数字图像及数值模拟的裂隙岩体渗透特征

基于真实的岩体剖面图片,通过剪裁、二值化、矢量转化,再导入数值计算软件,建立数值计算模型,进行模型水压力场、渗流速度场分析及渗透系数的计算。分析发现,从水流入口至出口,水压整体呈递减规律;岩石的裂隙中渗流场分布不均匀,渗流活跃的通道主要是左右串通好的裂隙,在不同水流入边界条件下,依据达西定律计算获得的岩体渗透系数存在差异。     

岩石倾斜裂隙与水平裂隙扩展贯通试验及数值模拟研究

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙后裂纹的扩展路径和方向发生明显改变,试样最终发生劈裂破坏。侧压的增大抑制了倾斜裂隙端部翼裂纹和次生裂纹的萌生,高侧压下翼裂纹没有贯穿水平裂隙,试样破坏模式变成了剪切破坏。水力耦合作用下,单轴压缩时倾斜裂隙翼裂纹尖端的最大主应力分布范围随着内水压的增大逐渐变小,翼裂纹的起裂应力、起裂角和峰值强度逐渐降低,试样发生劈裂破坏。通过数值模拟得到的裂纹扩展贯通规律与试验结果具有良好的一致性,开展了不同内水压时倾斜裂隙扩展贯通无水压的水平裂隙的数值分析,随着内水压的增加倾斜裂隙首先萌生共面裂纹随后产生翼裂纹,翼裂纹扩展贯通水平裂隙时扩展路径同样会发生改变。水力耦合作用下侧压也会抑制翼裂纹的萌生,随着内水压的增大减弱了侧压对倾斜裂隙翼裂纹的抑制作用。     

岩体裂隙网络非稳定渗流分析与数值模拟

针对裂隙岩体的非稳定渗流问题,通过将Darcy定理扩展到包含干区的整个裂隙网络区域,并令潜在溢出边界条件为Signorini型互补边界条件,将湿区上的非稳定渗流问题转化为全域上的一个新的初边值问题。为降低试探函数选取的难度,建立与定义在整个裂隙网络区域上的偏微分方程（PDE）提法等价的抛物型变分不等式（PVI）提法,并给出裂隙网络非稳定渗流分析的有限元数值分析格式和迭代算法,与砂槽模型试验数据的对比分析,验证其有效性。最后,将文中发展的计算方法应用到含复杂裂隙网络的边坡非稳定渗流分析,计算结果很好地反映出边坡内部自由面随库水降落的变化规律,并能准确地描述裂隙网络内部渗流运动特征及流量分布的不均匀性。     

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

基于有限元/离散元耦合分析方法的含预制裂隙圆形孔洞试样破坏特性数值分析

为了揭示结构面作用下深埋高应力硐室围岩的破坏机制,采用有限元/离散元耦合分析方法(FDEM)对含预制裂隙圆形孔洞硬岩试样建立数值模型,研究不同预制裂隙(结构面)位置、长度以及倾角下试样孔洞周边裂纹扩展规律及其力学破坏特性,针对各种情况提出了相应的支护措施。研究发现,(1)在无预制裂隙作用条件下圆形孔洞顶底部首先出现张拉裂纹,随后在孔洞两侧相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,近似于开挖面附近的板裂化破坏;(2)若洞壁一侧存在已揭露裂隙该侧岩体整体呈剪切滑移型破坏,若洞壁一侧存在未揭露裂隙该侧岩体的破坏模式为张拉–剪切型破坏,未揭露预制裂隙试样的破坏程度更为剧烈且更容易诱发岩爆;(3)对于孔洞上方的预制裂隙,无论揭露与否最终都会产生局部性顶板垮落或崩塌;(4)随着预制裂隙长度的增加,圆形孔洞上方岩体由短裂隙时的局部性垮塌最终转变为全局式垮塌;(5)对于孔洞一侧预制裂隙,试样破坏过程所释放的动能(破坏程度)随裂隙倾角的增加呈现先增大后降低的趋势,对于孔洞顶部预制裂隙,试样的破坏剧烈程度随裂隙倾角的增加呈现单调递增趋势。研究结果可为含裂隙或断层岩体地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供指导。     

Experimental and numerical study of failure characteristics of brittle rocks with single internal 3D open-type flaw

Open flaws without any filling material are common fracture structures in real rock. To study the failure characteristics of this fracture structure, small-scale rock-like samples with single internal 3D open flaws are prepared, and uniaxial compression tests are conducted. Digital image correlation (for surface strain and failures) and acoustic emission (for internal microfracture behaviors) monitoring technologies are also employed to analyze the flaws. The test results are verified through numerical simulations. Different inclination angles of the internal preset flaws are found to have little influence on the strength of the samples, and the surface and internal secondary failures of the samples exhibit very different development processes and distributions. The particle displacement trend method is applied to explain the initiation mechanism of secondary cracks, but the corresponding analyses are only reasonable if particle information along the y-axis is considered. Therefore, the particle information in the y-axis is incorporated by defining new 2D sections (with y-axis) or partial 3D models. Based on these research methods, the initiation mechanism of secondary cracks is reasonably explained, and the influence of the preset flaw thickness on the particle displacement trend fields and secondary failures in surrounding rocks can be discussed. Finally, the simulation results prove that the Mode II and III failures are usually coupled, and direct Mode III failures (displacement of two parts of rock parallel to each other and in opposite directions) only occur in the front and rear surrounding rocks of the preset flaw.

     

含双裂隙岩石裂纹演化机理的离散元数值分析

采用离散单元法探讨了预制双裂隙岩石的裂纹演化机理。用近期从试验资料提取的无胶结厚度含抗转动能力的岩石微观力学模型和相应的离散单元法商业软件,模拟了含不同预制倾角的双裂隙岩石试样在单轴压缩作用下裂纹的扩展与贯通规律,揭示了裂纹演化的宏微观机理。同时,将离散元法DEM岩石试样的裂纹的扩展和贯通规律以及强度特性与室内试验结果进行了比较分析。结果表明,预制裂隙之间以及端点处的拉应力集中是导致裂隙岩石破坏的主要原因,且DEM数值试验得到裂纹的演化规律与室内试验结果较为一致。含30°的预制裂隙的岩石试样最容易起裂,含75°的预制裂隙的岩石试样最困难起裂,造成此种现象的原因可能是裂纹在垂直于主应力方向上的长度不同导致试样受拉区域大小不同。     

含卸压孔硬岩应力松弛特性试验研究

针对非完整硬岩应力松弛特性研究的不足,开展了含卸压孔的具有岩爆倾向性的辉长岩试样峰前加载、松弛和再加载、再松弛模式的应力松弛试验,得出了其峰前应力松弛特性、松弛模型和超声波变化规律,揭示了应力松弛过程的卸压孔作用机制。结果表明：含卸压孔硬岩应力松弛过程经历了迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段;随峰前加载载荷增加,其应力松弛度总体上呈现增加,能量耗散量增加,用于硬岩损伤破裂演化的能量比例增加;通过波速、波幅和波形变化对比分析可以反映含卸压孔硬岩应力松弛过程的变形损伤破裂演化进程;Burgers模型能较好地反映含卸压孔硬岩的应力松弛特性。经与完整辉长岩试样应力松弛试验对比分析,表明同等情况下含卸压孔硬岩的应力松弛度更大,松弛过程能量耗散量更多,耗散速度也更快。该研究结果对硬岩、含卸压孔硬岩长期稳定性分析、预测及岩爆解危具有很好的指导和借鉴意义。     

注浆桩土接触面试验研究及后注浆抗拔桩承载特性数值分析

桩侧后注浆抗拔桩是一种新型的抗拔桩基础。借助于试验和数值手段对这种抗拔桩的承载变形特性开展了深入研究。首先进行了接触面的大型剪切试验,以揭示桩土接触面在注浆与未注浆前后其力学特性的差异性,并基于大型接触面剪切试验成果,建立了桩土接触面的修正库仑摩擦模型。将接触面模型应用到有限元数值分析,分别模拟了传统等截面抗拔桩与后注浆抗拔桩的承载变形特性。研究表明,相比传统的抗拔桩,桩侧后注浆抗拔桩的侧摩阻力得到了显著的改善,特别是深处的桩侧极限摩阻力得到了更充分的发挥,从而桩侧注浆抗拔桩的承载能力有了较大程度的提高。     

Experimental study on mechanical characteristics of sandstone containing arc fissures

Arc fissure is one of the basic forms of defective rock, where the expansion and evolution mechanism plays an important role in the stability of engineering rock mass under the external load action. Uniaxial compression experiments of sandstone samples that contained various angles of arc fissures (sandstone sample was 80 mm?×?160 mm?×?30 mm) were performed in order to investigate the effect that arc angle α had on the mechanical properties, the failure mode, and the fracture evolution process of sandstone. The results showed that when arc angle α was increased, the peak strength and the strain of the sandstone samples initially decreased before increasing and the minimum peak strength and strain were reached when α?=?15°. The deterioration of the bearing capacity and the number of cracks that appeared during the sandstone loading process decreased as the arc angle of the fissure increased. The arc fissure destruction was primarily initiated from the fragile area of the arch tip. The tensile cracks appeared on the fissure tip and non-tip as the axial force increased. The various arc angle α played an important role in the initiation stress and the rupture evolution of the specimen.     

帷幕灌浆扩散半径及数值模拟的研究

从连续性方程出发,考虑浆液压力对土体孔隙率的影响,分析推导了浆液在多孔介质中的渗流规律,并给出了扩散半径的简单近似计算公式;然后将二相流理论应用到注浆研究中,假设孔隙由水和浆液完全充填,且二者不相混溶,建立了浆液驱水的非稳定渗流模型。根据某大坝的实际情况,用FLAC软件中的二相流模块对大坝灌浆过程进行了模拟分析,并与推导公式相比较。由于二相流理论考虑了毛细压力的作用,模拟得到的浆液扩散速率递减得更快。模拟结果表明,浆液和水之间存在着一个过渡带,浆液的饱和度在不同时间和位置上是变化的。随着时间的延长,浆液扩散得越远,但其速率逐渐减小。扩散半径不仅与渗透系数有关,还与孔隙度有关,而且孔隙度较渗透系数对扩散半径有着更大的影响。二相流理论可以更好地模拟帷幕灌浆的浆液扩散情况。     

岩体卸荷力学特性的数值仿真研究

岩体卸荷力学性质主要表现为非线性和各向异性等特征,与常规岩体试验结果和假定存在着差别,采用数值仿真的方法对卸荷岩体力学特性进行研究,阐述卸荷岩体力学特性研究的重要性;给出了数值仿真分析研究的岩体加、卸载条件;利用大型有限元软件ADINA建立数值仿真模型,对模型进行计算分析,并和已有试验成果进行对比,得出了卸荷岩体力学特性的有关规律。     

A three-dimensional numerical investigation of the fracture of rock specimens containing a pre-existing surface flaw

Three-dimensional surface crack initiation and propagation in two kinds of heterogeneous rocks were numerically investigated via parallel finite element analysis using a supercomputer. Numerically simulated rock specimens containing a pre-existing flaw were subjected to uniaxial compression until failure. The initiation and propagation of wing cracks, anti-wing cracks, and shell-like cracks were reproduced by numerical simulations. The numerically simulated results demonstrate that the further propagation of wing cracks and shell-like cracks stop due to their wrapping (curving) behavior in three-dimensional spaces, even if the applied loads continue to increase. Furthermore, rock heterogeneity could significantly influence crack propagation patterns and the peak uniaxial compressive strengths of rock specimens. Moreover, anti-wing cracks only appeared in relatively heterogeneous rocks, and the peak uniaxial compressive strengths of the specimens were observed to depend on the inclination of the pre-existing flaw. Finally, the mechanism of surface crack propagation is discussed in the context of numerically simulated anti-plane loading tests, wherein it was identified that Mode III loading (anti-plane loading) does not lead to Mode III fracture in rocks due to their high ratio of uniaxial compressive strength to tensile strength. This finding could explain the lateral growth of an existing flaw in its own plane, which is a phenomenon that has not been observed in laboratory experiments.