考虑损伤效应的岩锚梁光面爆破数值分析

在地下厂房岩锚梁爆破施工中,为获得良好的开挖轮廓面和较小的损伤区,常采用光面爆破的开挖方式,但在光面爆破施工中,主爆孔爆破对光爆层岩石造成较大程度的损伤,使岩石的力学参数发生变化,而在爆破设计与施工中未考虑这种损伤效应,结果造成单孔装药量偏大,岩石受到过度破坏,出现超挖或产生大量的爆振裂隙。应用动力有限元程序,建立岩体二维弹塑性模型,对不考虑损伤和考虑损伤的光面爆破过程进行了数值模拟,并比较两种模型最大有效应力随距离的变化关系。研究结果表明,在相同情况下,考虑损伤影响时可适当加大光面爆破的炮孔间距和抵抗线。在现场进行了考虑爆破损伤和未考虑爆破损伤的两组爆破试验,观察爆后效果表明：考虑爆破损伤效应的参数设计爆破效果好、损伤作用小。     

单轴压缩下岩石材料尺寸效应的数值模拟

考虑到岩石材料的非均质性,应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D,对端面有摩擦和无摩擦两种条件下同直径不同长度的岩样,进行了单轴压缩下的数值模拟研究,并对模拟结果寻求了试验验证。结果表明,岩石强度的长度效应是由于岩样端面摩擦效应所致,而并非根源于材料本身的非均质性。     

风化岩地基全螺纹玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆承载特征现场试验

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）抗浮锚杆是一种由树脂和玻璃纤维复合而成的新型材料,与传统的钢筋锚杆相比,它具有比强度高、耐腐蚀性强和抗电磁干扰能力强的优点。基于6根GFRP抗浮锚杆和4根钢筋抗浮锚杆现场足尺拉拔破坏性试验,研究了中风化花岗岩中GFRP抗浮锚杆的承载特征和界面黏结特性。试验结果表明,抗浮锚杆的破坏形式有2种：锚杆和砂浆界面剪切破坏,砂浆和围岩界面剪切破坏。直径为28 mm 的GFRP抗浮锚杆和钢筋抗浮锚杆的极限抗拔承载力均为225 kN,直径为32 mm GFRP抗浮锚杆极限抗拔承载力为250 kN,能够满足工程实际需要;GFRP抗浮锚杆与砂浆（第一界面）的平均黏结强度为1.50～1.54 MPa;GFRP抗浮锚杆砂浆与围岩（第二界面）的平均黏结强度为0.32～0.37 MPa,略低于钢筋抗浮锚杆第二界面的平均黏结强度;直径为32 mm的GFRP抗浮锚杆第二界面平均黏结强度高于直径为28 mm的GFRP抗浮锚杆。在此基础上,进一步分析论证了GFRP抗浮锚杆的破坏机制,为GFRP抗浮锚杆的工程应用提供了理论依据。     

盐膏层造斜井段井眼缩径及套管外载数值模拟

盐膏层是油气成藏的良好盖层,塔里木盆地多个大型油气藏都属于巨厚盐下油气藏,为了提高单井产能,决定采用定向井和水平井来开发盐下油气藏。由于盐膏层距离产层较近,需要在盐膏层进行造斜。造斜井段盐膏层井眼的缩径规律及其对套管外载的影响国内外鲜有报道。应用有限元方法建立了造斜井段砂岩和盐膏岩地层、水泥环及套管耦合的三维力学模型,以塔里木羊塔克区块岩石力学测试成果为基础,研究得到造斜段井斜和方位对井眼缩径及套管外载的影响规律。该研究成果成功应用于塔里木巨厚盐下定向井、水平井轨迹设计,钻遇盐膏层泥浆密度的确定和井身结构设计,为塔里木盐膏层钻井、完井施工提供了重要的理论参考。     

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。     

岩体爆生裂纹的数值模拟

利用广东岭澳核电站现场角岩岩体的基本动态力学特性和爆破参数,以及材料的Von Mises破坏准则,通过ANSYS/ LS-DYNA程序模拟了岩体单孔柱状装药的爆破破裂过程,分析了岩体爆破裂纹产生和扩展的机制,得到了岩体粉碎区和裂隙区的范围以及爆源近区岩体质点峰值压力的衰减规律。研究结果表明,岩体爆破粉碎区半径约为装药半径的6.5倍,裂隙区的半径约为装药半径的75倍,炸药起爆时粉碎区形成时间很短,大约为80 μs,而裂隙区的完全形成则需要较长的时间。     

压力型锚索力学机理现场试验研究

通过现场试验研究了岩质边坡中压力型锚索的受力和破坏机理。试验锚索采用130 mm孔径,6束标准钢绞线,符合实际工程的常用锚索规格。严格控制锚固段与非锚固段尺寸,设置了不同的锚固段长度用以研究锚索的抗拔力学性能。试验获得了岩质条件下足尺压力型锚索的荷载位移全曲线。用应变砖测试了锚固段注浆体在受力过程中的应变规律,测试结果与理论计算的结果吻合。对试验结果进行分析发现,在较软岩条件下,试验锚索的最佳锚固长度在2 m左右。压力型锚索的位移延性性能非常优秀,在锚索整体位移较大时还能维持较高的承载力,可以提供良好的破坏预警。根据实测的轴向应变发现,随着锚固长度的增加,应力传递长度也略有增加。提出压力型锚索的破坏要经历局部塑性,整体塑性两个阶段。     

简谐振动荷载下锚杆加固岩质边坡的受力分析

基于块体动力学方法,考虑简谐振动地震波作用,根据Pseudo-static分析原理建立动力荷载下的锚杆支护边坡简化模型,采用解析方法对求得谐振作用下沿滑移面滑移的边坡破坏运动解以及锚杆内力解的表达式,在此基础上,提出可适用于抗震设计的锚杆受力解答。通过锚杆支护边坡的参数影响分析表明,地震波的频率对破坏体的滑动位移幅值有较大影响,在锚杆加固边坡设计中应避免免引起共振现象;锚杆间距对位移振动幅值影响也较大,随着间距的增大,位移幅值也增大;当锚杆间距一定时,随着坡高的增大,边坡滑动位移幅值增大幅度相较其他参数影响较小;随着边坡岩石边坡角度的增大,位移幅值也随之增大,下边坡角度从60°增大到90°时,位移幅值由7 cm增大到25 cm;上边坡坡度超过25°时,位移幅度急剧增大,在设计和施工中应当引起重视。     

节理岩体爆破的DDA方法模拟

在非连续变形分析（DDA）方法中,通过跟踪炮孔扩张和炮孔周边裂隙的发展贯通求得爆腔的即时体积,进而根据爆生压力状态方程计算爆腔即时压力,并将爆生压力载荷作用到主炮孔内壁和贯通裂隙面上,实现了爆生产物作用下节理岩体爆破的DDA方法模拟。采用DDA方法模拟了节理岩体中的水平柱状炮孔抛掷爆破问题,得到了爆腔的体积扩张和压力衰减时间曲线,模拟很好的再现了岩石爆破过程中的炮孔扩张、岩体破坏、块体抛掷和爆堆形成过程。     

Numerical simulation of rock salt dissolution in dynamic water

The dissolution process of the rock salt is actually a complicated process in fluid dynamics and chemical kinetics; therefore, the mathematical model for the solute-fluid flow during the cavern building may be established to research the change rule of the form of the cavern boundary based on the kinetic analysis of the convection–diffusion process, with integration of the basic theories of fluid mechanics and the principles of chemical kinetics. In order to research the dissolution mechanism of the rock salt under the condition of dynamic water, the method of numerical simulation has been employed to simulate and study the factors with effect on the fluid transport mechanism in solution mining cavern of the rock salt, and its dissolution in dynamic water has been simulated and researched. The result shows that the model established in this paper may well describe the dissolution process of rock salt under the condition of dynamic water, providing basic analyzing means for the research on the rock salt dissolution in dynamic water.     

压力分散型锚索作用效果的数值模拟分析

通过FLAC3D程序,用实体单元模拟了岩体和砂浆体,用结构单元来模拟锚索,在砂浆体和岩体间设置接触面,对锚索施加预应力时采用新的建模方法,即通过结构单元来模拟压力分散型锚索的承压板,代替在承压板的位置施加均布力的方法,建立预应力锚固数值仿真模型.通过模拟试验,分析了接触面单元、岩体单元以及砂浆体单元的应力云图等,更加清晰地显示了压力分散型预应力锚索作用下岩体沿锚索轴向的应力、砂浆体与孔壁之间的粘结应力分布等情况.     

含软弱夹层顺倾边坡爆破层裂效应的数值模拟与试验研究

进行含软弱夹层顺倾边坡单孔爆破数值模拟,分析爆破过程中上覆岩体受到的应力作用、爆破层裂效应及其对边坡稳定性的影响。模拟结果表明,爆破层裂作用具有分区特性,爆轰气体对夹层的冲刷、推移作用形成夹层爆腔区,爆腔区外围是压密区,其次是离析区,离析区以外的夹层未受爆破层裂作用的影响;上覆岩体在空腔区受到爆轰气体膨胀压力作用,临近夹层壁面的峰值压力达0.75 GPa,压密区受到夹层挤压衍生的向上压力作用,压力峰值达0.21 GPa,且压力衰减较慢;空腔区的上覆岩体与夹层脱离,压密区和离析区改变了夹层与上覆岩体的接触状态,使模型的稳定性降低。剪切试验验证了数值模拟关于爆破层裂效应降低模型稳定性的结论。     

地震作用下边坡动力响应的数值模拟研究

汶川地震中在硬岩、次硬岩区域出现的一些大规模斜坡破坏现象超出了以往对地震作用下边坡稳定性问题的认识。本文使用FEPG有限元程序分析了水平和垂直2种不同加载方式作用下,经过不同的震动持续时间,不含裂隙岩质坡体内部的应力场和位移场的变化规律。得出的结论认为,在输入震动振幅为0.1m的加载作用下,岩质边坡内部的应力和位移均出现极值:在边坡的顶部及坡面上最大拉伸应力值大于100MPa,超过了花岗岩、灰岩等硬岩、次硬岩的抗拉强度,可能使岩体产生破裂发生崩塌、滑坡灾害。研究结果还表明,与水平方向振动加载相比,垂直方向振动加载产生的响应结果要大,边坡顶端一点的在垂直方向位移的峰值达到0.43m,远远超过了输入的震动振幅,垂直方向的震动是引起边坡的不稳定的主要因素。此外,震动持续时间越长,造成的变形和破坏就越大。     

基于考虑动力本构的连续−非连续方法的单轴压缩岩样开裂过程模拟

动载作用下岩石的破坏规律研究对于众多地质灾害的机制分析和预防具有重要的理论及实际意义。鉴于数值模拟研究的优势,应大力发展适于岩石动力断裂过程模拟的数值方法。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续−非连续方法的基础上,采用朱−王−唐本构模型取代了广义胡克定律,发展了考虑动力本构的连续−非连续方法,其正确性通过模拟不同加载速度时砂岩试样的单轴压缩试验进行了验证。通过统计裂缝区段数目随着岩样的纵向应变的演化规律,并监测岩样左、右对称线上多个测点的最小主应力的演化规律,开展了不同加载速度时单轴压缩花岗岩试样的变形−开裂过程研究,阐明了岩样的开裂机制。研究发现,剪裂缝以雁列式展布,整体上形成剪切带。随着时步数目的增加,各测点的最小主应力均呈波动下降−震荡上升的变化趋势。震荡上升阶段对应岩样的应变软化阶段。测点分离后最小主应力的震荡幅度较大,这是由于节点分离和单元接触激发了较大的应力波。剪切带尖端的最小主应力集中会使测点发生剪切分离。当岩样的三角块向下楔入时,下方测点的应力状态类似于紧凑拉伸试验进而发生拉伸分离。     

扭转导波在锚固锚杆中传播的数值模拟

采用有限元数值模拟的方法研究了扭转导波在锚固锚杆中的传播性质。建立了自由锚杆和锚固锚杆的有限元模型,在锚杆顶端激发20～60 kHz扭转导波信号,计算得到导波在自由锚杆和锚杆锚固段的传播速度值与理论值吻合很好,证明了扭转导波数值模拟方法的有效性。数值模拟结果表明：随着激发波频率的增大,扭转导波在自由锚杆和锚杆锚固段中的衰减值均呈线性递增趋势,导波在锚杆锚固段上界面的反射回波逐渐减弱;扭转导波在锚杆锚固段的衰减值较大,无法在锚杆顶端采集到锚杆底端反射回波信号,所以扭转导波不适用于锚杆长度的检测;随着锚固介质弹性模量的增大,同一频率扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射波逐渐增强。通过检测扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射回波,可以确定锚固介质弹性模量的大小。     

地应力场下岩体爆体的数值模拟

建立了地应力作用下岩体在爆炸荷载作用下的运动微分方程,并对岩体中的地应力采用隐式分析方法,对爆炸的高速动载作用采用显式分析方法,通过隐式－显式连续求解完成地应力作用下岩体爆炸的数值模拟。数值算例结果表明,近爆腔处,较低的静应力场与较高的动应力场作用时爆炸动态应力波占主导地位,初始应力对爆破应力波影响较小。在远离爆腔处,高地应力存在改变了爆破应力波的传播规律,对爆炸岩体有很大影响。     

采矿巷道围岩变形机制数值模拟研究

研究了大冶铁矿龙洞-62 m、-74 m水平采矿巷道开挖后的二次应力分布及巷道变形机制。首先根据现场工程地质勘查和室内岩石力学试验对巷道围岩进行了工程地质分组和岩石力学参数确定;在此基础上运用FLAC3D数值模拟软件研究了巷道开挖后的应力应变状态,分析了围岩变形机制;并根据-74 m水平采矿巷道的收敛监测数据对比验证了数值模拟结果。研究结果表明,围岩条件不同的采矿巷道其二次应力分布影响范围有所差异,但围岩主应力总体上表现为由巷道边墙中下部位的压应力集中带逐步过渡到拱顶、底板一定范围内的拉应力集中带。     

岩石材料冲击压缩特性细观模拟方法研究

岩石材料的细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为了分析岩石材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对宏观冲击响应行为的影响规律,从岩石材料的细观特性入手,结合材料细观结构照片,经制图软件矢量化和轮廓处理,建立了能够反映材料细观分布特性的岩石材料有限元模型。基于AUTODYN有限元计算软件,对岩石材料冲击压缩细观行为进行数值模拟,获取材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对材料宏观冲击压缩特性的影响规律。确定岩石材料冲击Hugoniot参数,应用于冲击开坑仿真中,并与已有的试验结果进行了对比。结果表明:数值仿真结果与已有试验数据吻合较好;孔隙率和含水率对岩石材料冲击波衰减规律有十分显著的影响;细观模拟确定的Hugoniot参数运用到岩石材料宏观动力学行为数值模拟中,可有效反映岩石材料中颗粒、孔隙和含水等细观特性对冲击开坑行为的影响规律。     

磨料水射流作用下岩石损伤场的数值模拟

磨料水射流（AWJ）破碎岩石的过程是多相流体与结构物体之间非线性碰撞动力耦合问题,其内部的复杂机制涵盖了诸多方面。基于ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）流-固耦合罚函数算法,从连续损伤力学和细观损伤力学角度出发,建立了磨料水射流冲击破碎岩石模型。研究表明：岩石的破坏主要以冲击破坏为主,破坏具有明显的局部效应,破碎过程以漏斗状交替推进;岩石内部的损伤场以阶段性演化,即分为线弹性阶段、非线性失稳破碎阶段,岩石在射流冲击交替应力的作用下50 ?s内完全破坏。计算结果与相关文献基本吻合,研究结果对深入研究磨料水射流破岩理论及应用有着重要的学术和现实意义。     

软岩钻孔灌注桩承载力的数值模拟

如何确定软岩地区钻孔灌注桩的承载力是一个复杂而又亟待解决的问题。本文以南京长江三桥软岩钻孔灌注桩为例,利用数值模拟法(FLAC3D模拟分析),模拟南京长江三桥软岩钻孔灌注桩逐级加载后的受力性状,根据得到的桩周土岩的应力场、位移场及破坏区的分布和扩展,确定软岩钻孔灌注桩的极限承载力。将数值模拟结果和自平衡测试结果进行比较,笔者发现两者吻合较好。