垃圾体内部与衬里界面组合破坏稳定分析方法研究

垃圾填埋场沿底坡和背坡衬里界面发生平移破坏的工程实例较多,也有破坏面沿垃圾体内部和底坡的组合破坏形式,相应的计算分析方法有待完善。对组合破坏,根据垃圾体内部破坏面为库仑主动破坏面和组合破坏面上各点安全系数相同的假设,由刚体极限平衡条件,建立组合破坏的稳定计算方法。运用双楔体和组合破坏稳定分析方法对算例和Kettleman Hills填埋场工程实例进行计算分析。结果表明：双楔体法计算得到的最危险平移滑动破坏安全系数大于组合破坏最小安全系数;最危险破坏面是组合破坏面;对Kettleman Hills填埋场,组合滑动面也是可能的滑动破坏面。由此可见,组合破坏是垃圾填埋场可能的破坏形式之一,在进行垃圾填埋体滑动稳定分析计算时应进行组合破坏形式的计算分析。     

脆性岩石破坏数值模拟研究的两个问题

应用数值模拟方法,对脆性岩石单轴压缩情况下破坏规律进行了初步研究,主要讨论了脆性岩石的破坏机理、脆性岩石破坏数值模拟试验中的端部效应问题,并得出了一些初步的结论。在单轴压缩试验中,脆性岩石破坏过程主要以拉伸破坏为主。端部效应则是除了岩石试件本身所具有的材料非均匀性外影响岩石试件破坏形式的另一个重要因素。总体上存在这样的规律,即端部约束越大,岩石试件破坏型式越趋近于“X”型剪胀破坏,端部约束越小,则岩石试件破坏型式越趋近于张拉破坏。     

土质围岩开挖破坏模式研究

结合大量土质隧道围岩破坏调研资料和室内模型试验,研究土质围岩破坏的位置和形态,以破坏位置和特点探讨了土质围岩的破坏模式,并对各破坏模式进行了定义。研究表明,土质围岩破坏模式有未支护段破坏模式、掌子面破坏模式、未支护段和掌子面同时破坏模式及不发生破坏4种;未支护段破坏模式可分为自稳破坏、进尺破坏和不破坏;未支护段自稳破坏模式主要受洞形跨度和跨高、围岩条件控制,而进尺破坏模式主要受进尺和围岩条件控制;掌子面破坏模式的破坏面可近似为对数螺旋曲面或斜平面,未支护段破坏模式的破坏面可近似为抛物线曲面,未支护段和掌子面同时破坏模式的破坏面近似为数螺旋曲面或斜平面和抛物线曲面相交。     

基于破坏概率的岩土试件剪切破坏角分析

岩土体剪切破坏时剪切破坏角是一个一直在探讨的问题,传统理论解为Mohr-Coulomb解和Roscoe解,基于试件的宏观破坏现象受微观破坏概率的分布制约这一前提,从岩土体试件内部破坏概率分布函数的角度重新研究了这一问题。通过对试件内部微观破坏概率由微观到宏观的统计分析与坐标变换,发现在形式上破坏概率主轴即相当于主应力,并基此给出了破坏概率破坏莫尔圆。还对Mohr-Coulomb破坏准则与微观破坏概率统计之间的关系开展了探索分析,结果表明Mohr-Coulomb准则是描述试件剪切破坏时大量微破坏行为共同作用的统计结果,Weibull分布仅是岩土试件内部破坏概率分布形式的一种描述,基于数学概率推导的岩土试件破坏模型能更好的与试件的破坏准则联系起来。     

局部剪切破坏模式下的无重地基承载力

局部剪切破坏是一种常见的地基破坏模式,该破坏模式下的地基承载力理论计算方法尚不完善,对无重地基局部剪切破坏的极限承载力理论进行了研究。首先从破坏时破裂面延伸位置的角度完善了浅基础3种破坏模式的划分标准。对于局部剪切破坏,土体强度并未完全发挥出来,潜在破坏区处于非极限状态,所以将土体强度逐渐发挥的概念引入地基承载力中,通过适当的假设,建立了局部剪切破坏模式下无重介质地基承载力的理论计算方法,并与已有的经典成果进行比较分析,印证了该方法的合理性。研究成果为解决局部剪切破坏模式下地基承载力的计算提供了理论参考。     

Locating the Multiple Failure Surfaces for Slope Stability Using Monte Carlo Technique

Owing to the complicated slope stratigraphy (e.g., multiple soil layers and multiple benches or gradients in side slopes), multiple failure surfaces for slope stability have been recognized in geotechnical discipline. This paper aims to develop a systematic and probabilistic approach to locate the multiple failure surfaces combining the traditional limit equilibrium method with Monte Carlo Simulation. Each of the multiple failure surfaces is selected from a large pool of failure surfaces and the correlation coefficient between two failure surfaces in factor of safety (FS) is adopted to characterize the extent to which two failure surfaces are correlated. After eliminating those highly correlated failure surfaces, the multiple failure surfaces can be gradually identified. The number of failure samples and the number of exclusive failure samples corresponding to each of multiple failure surfaces are determined within the proposed methodology. These data are reanalyzed to find the critical failure surface with the maximum failure probability, the critical failure surface with maximum simplified risk, and those failure surfaces dominating the risk of slope failure. The proposed approach is illustrated through two examples excerpted from the literature and validated against the results from the commercial software package and literature. The comparative study manifests that the critical failure surface with the minimum FS does not always coincide with that with the maximum failure probability and with the maximum simplified risk. In addition to FS, the failure surfaces should be received much attention. The proposed methodology provides an effective tool in decision making for slope stabilization and rehabilitation process.     

应变软化土坡渐进破坏的可靠度分析

在考虑土性参数的不确定性和土体应变软化特性的基础上,以可靠度方法建立了边坡渐进破坏的极限状态方程。通过计算边坡局部破坏概率,确定边坡中最危险的土条,并推导出破坏起始于该土条,逐渐向两侧扩展的渐进破坏概率计算公式。该方法能很好地反映边坡局部破坏的产生、扩展及对边坡整体稳定性的影响,找到最贴近实际情况的破坏传播路径,为边坡稳定分析提供了理论依据。通过算例分析可知,滑动面上各个土条的局部破坏概率均不相等,破坏起始于中部第8土条,破坏先向上传递,后向下传递至坡脚,并非从坡脚向坡顶传递的牵引式破坏,或从坡顶向坡脚传递的推移式破坏。     

深埋硬岩隧洞围岩板裂化破坏研究的关键问题及研究进展

规律性的板裂化破坏是深埋硬脆性岩体开挖卸荷造成的典型围岩破坏现象,给隧洞的安全施工建设带来了严峻挑战。板裂化破坏的研究主要涉及两个关键问题：板裂化破坏的形成机制及其影响因素,板裂化破坏与岩爆的关系。多年来,国内外学者通过理论分析、现场及室内试验、数值模拟等不同途径对板裂化破坏问题进行了系统的研究,取得了丰富的研究成果。在系统分析有关板裂化破坏两个关键问题研究进展的基础上认为,板裂化破坏的形成机制复杂、影响因素众多。基于板裂化破坏形成的细观机制,建立不同类型板裂化破坏的力学准则与力学模型是揭示板裂化破坏形成机制的关键所在;板裂化破坏现象与岩爆之间具有很强的相关性和本质的联系,深入揭示板裂化破坏特征所包含的岩爆前兆信息是板裂化破坏与岩爆关系研究的关键与难点问题。     

红层软岩压缩破坏的分形特征与级联失效过程

基于不同围压条件下的红砂岩三轴压缩试验结果,采用数字图像相关技术对岩样外表面破坏形态进行全程观测,获得不同阶段岩样外表面破坏图像,分别对岩样破坏后阶段的图像进行分析。通过分形盒维数表征岩样外表面裂纹的变化情况,发现岩样破坏越严重,裂纹分形维数越高,且在最后破坏阶段裂纹分形维数出现突变,揭示岩样的破坏特征。引入级联失效数学模型,结合红层软岩内部的矿物成分与细观结构分布特点,概化出其结构的随机连接模型与破坏方式,分析红层软岩加载作用下的内部节点颗粒“容量-荷载”重分配原则以及节点颗粒失效后其初始荷载传递路径。结果表明,红层软岩在受载时为一个级联失效的分阶段破坏过程,级联因子通过级联路径不断传播、增多,级联失效越发明显,同时结合岩石破坏的变形损伤过程与其轴向应力-应变曲线分段特征,揭示该类岩石破坏的级联失效分级标准,为拓展该领域的研究具备一定的参考价值。     

不同压实度下黄土填方边坡失稳的模型试验研究

黄土填方边坡在降雨入渗下容易发生滑坡。为了探讨降雨入渗下压实度对黄土填方边坡变形破坏机制、失稳模式以及滑动机理的影响,基于室内降雨系统,结合传感器监测和三维激光扫描技术,开展了边坡压实度为80%（低压实度）、90%（中压实度）、95%（高压实度）的降雨模型试验研究,分析了压实度对填方边坡体积含水率、基质吸力以及变形破坏过程的影响规律。结果表明:压实度的不同,边坡首先破坏的位置不一。中、高压实度下的边坡最先破坏发生在坡脚处,表现出滑塌破坏;而低压实度则是在坡顶,为湿陷沉降破坏。边坡压实度越大,其变形破坏过程持续时间越长,所需累积雨量就越大,但滑动距离和滑面深度越小。随压实度的增加,边坡破坏模式由深层整体破坏向浅层多级破坏转变。低压实度边坡为湿陷沉降-深层蠕滑拉裂式,中压实度边坡为深层蠕滑拉裂式破坏,而高压实度边坡则为浅层多级后退式失稳。     

层状页岩力学特性及其破坏模式研究

采用MTS815型岩石力学试验机进行了页岩层理面不同角度取芯的力学试验,获得了其力学参数及破坏模式特征。试验表明：层理面不同角度试样力学性质存在较大差异性,平行层理面试样其抗压强度最高,与层理面夹角为30°时抗压强度最低,弹性模量随取芯角度的增加逐渐降低。单轴压缩,夹角为0°时破坏模式主要为沿多个平行层理面竖向劈裂,夹角为30°时沿层理弱面剪切破坏,夹角为60°时为大角度剪切破坏并贯穿60°弱层理面,夹角为90°时主要为层状拉张破坏。三轴压缩,夹角为0°时试样有多条破裂面,呈劈裂与剪切破坏共同作用;夹角为30°时,沿层理面剪切破坏;夹角为60°时,呈现剪切破坏,剪切破裂面与水平面夹角在45°~50°之间;夹角为90°时,以剪切破坏为主,有多条平行开裂层面。页岩层理面表现出明显的弱面特征,研究结果为水力压裂施工设计提供了技术参数。     

Borehole failure analysis in a sandstone under anisotropic stresses

Borehole failure under anisotropic stresses in a sandstone is analyze numerically for various borehole sizes using a nonlinear elastic–plastic constitutive model for a Cosserat continuum. Borehole failure is identified as macroscopic failure of the borehole through the development of shear bands and breakouts. The results compare well both qualitatively and quantitatively with experimental results from polyaxial tests on Red Wildmoor sandstone. They show that the hole size effect of the borehole failure strength is independent of the far‐field stress anisotropy and follows a ? power law of the hole size. A similar scale effect equation with a ? power law is proposed for the scale effect of the maximum plastic shear strain at failure. This equation can be useful for better predicting hole‐size‐dependent failure with standard codes based on classical continua. The effect of stress anisotropy on the borehole failure stress is found to be independent of the hole size. The failure stress decreases linearly to 40% as the stress anisotropy increases. However, the maximum plastic shear strain at failure is stress anisotropy independent and therefore the critical plastic shear strain for failure is only hole‐size dependent. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于Hoek-Brown破坏准则的浅埋条形锚板抗拔力上限分析

现有的锚板极限承载力研究大多是采用线性或非线性Mohr-Coulomb破坏准则在砂质地基中进行的,然而Mohr-Coulomb破坏准则并不适合分析岩质地基中的抗拔结构。采用Hoek-Brown破坏准则构建了一个曲线型的破坏机制,根据极限分析上限定理求出了条形锚板抗拔力的表达式。通过变分计算,得到了极限状态下条形锚板的抗拔力和岩体破裂面的上限解。为了证明所采用方法的有效性,当材料参数B =1时,采用与Mohr-Coulomb破坏准则等效的土体参数,计算了曲线型破坏机制下条形锚板的极限抗拔力,并与已有计算结果进行了比较。结果表明,采用曲线型破坏机制得到的锚板极限抗拔力与直线型多块体破坏机制的结果基本一致,证明了所采用的曲线形破坏机制是正确的。参数研究表明：在其他参数不变的情况下,锚板极限抗拔力和破坏面都随岩体参数B的增大而减小。     

直剪条件下非贯通节理岩体岩桥力学性质弱化机制及贯通模型初步研究

通过非贯通节理岩体直剪试验的力学特点和理论分析,修正了Lajtai岩桥张拉破坏理论。通过非贯通节理岩体直剪试验中岩桥的应力状态,提出岩桥内部的张拉破坏使岩桥力学性质发生弱化,并进一步分析研究了力学性质可能弱化的区域。分析非贯通节理岩体扩展贯通过程,提出了非贯通节理岩体的贯通破坏模式。通过非贯通节理岩体直剪试验初步验证了修正的岩桥张拉破坏理论和贯通破坏模式。     

Simulation of roof shear failure in coal mine roadways using an innovative UDEC Trigon approach

Shear failure is a common failure mechanism in underground coal mine roadways. This paper presents an innovative numerical approach to simulate shear failure of a coal mine roadway roof. The distinct element code, UDEC, incorporating a proposed Trigon logic is employed for the study. Using this approach, shear failure in the mine roof characterized by fractured initiation and propagation is successfully captured. The results suggest that shear failure of the roadway roof initiates at the roadway corners and then progressively propagates deeper into the roof, finally forming a large scale roof failure. The numerical results confirmed the time sequence of marked microseismic activity, significant stress changes and accelerated displacement during the process of a roof fall. The effect of rock bolting in the control of roof shear failure in a roadway is evaluated using the UDEC Trigon approach. It is found that the installation of rock bolts constrains rock dilation, reduces failure of rock bridges and maintains rock strength thereby leading to a significant decrease in roof sag.     

煤岩组合体分级加卸载特性的试验研究

通过MTS 815试验机研究了煤岩组合体分级加卸载试验。分级加卸载下煤岩组合体破坏以脆性破坏机制为主,与单轴作用相比,分级加卸载作用下煤岩组合体的破坏更为破碎,且破坏强度有所提高,但轴向和环向应变却有所降低。同一循环中的加载与卸载曲线基本不重合,且多数情况不形成闭合环路;卸载曲线与下一个循环的加载曲线通常也不重合,但会形成闭合环路。第1循环结束时残余变形较大,加卸载曲线形成了类似“牛角”状的曲线;随着循环加卸载地进行,与残余变形相比第1循环有所降低,加载和卸载曲线在逐渐靠近,并且加卸载曲线类似“竹叶”状。获得了残余变形和加卸载弹性模量随循环加卸载的变化关系,并且实验表明卸载到1 MPa附近时,卸载线是曲折波动的;但在再次加载初期,加载线几乎是直线,且随着荷载的继续增加,加载线和上一个循环的卸载线逐渐分离。循环加卸载后应变相位逐渐滞后于应力相位,内因可能是因为岩石矿物颗粒间的黏滞性以及煤岩组合体界面之间的摩擦引起的,而外因可能是循环加卸载导致了煤岩体内部损伤,并由此诱发不可恢复的残余变形     

宏细观结合考虑主应力轴旋转的砂土破坏特性

采用宏细观结合各向异性破坏准则对主应力轴旋转条件下砂土的破坏特性进行分析。该准则是加载应力、组构各向异性程度和应力与组构几何关系3个因素的函数,可描述细观特性对任意应力旋转角度条件下破坏特性的影响。根据空心圆柱扭剪试验的特点推导一般正交坐标系下主应力轴旋转条件下的破坏关系式,考虑应力与砂土细观组构的几何关系,推导的关系式即可分析该条件下破坏特性。材料为各向异性时,主应力轴旋转造成破坏特性发生变化,细观各向异性程度越小变化越小;材料为各向同性时,则不会造成砂土破坏特性的变化。该式表明主应力轴旋转条件下不同破坏特性存在的根本原因是砂土各向异性的存在。采用空心圆柱试验结果进行验证,结果表明建立的关系式能较好描述不同应力加载角度条件下砂土的破坏特性。初步验证了由于砂土各向异性的存在使得主应力轴旋转造成了不同的破坏规律。     

基于巴西劈裂试验的页岩强度与破坏模式研究

为了研究页岩横观各向同性性质对劈裂强度及破坏模式的影响,对7组不同倾角下的试样进行了巴西劈裂和声发射测试。研究表明：层理的方向对试样的劈裂强度和最终破坏模式有着重要的影响。随着层面倾角 的增加,页岩试样的劈裂强度逐渐减小。在不同倾角下的破坏模式可分为直线形（ 0°、90°）、月牙形（ 15°）和曲弧形（ 30°、45°、60°、75°）。通过分析不同倾角下圆盘中心点沿层理分解得到的正应力和剪应力,当 0°时,试样的破坏方式为基质的拉伸破坏;当 90°时,试样的破坏方式为层理的拉伸破坏,当15° 75°时,试样的破坏为复合型破坏。观察声发射空间累计定位演化分布情况,直线型的声发射点较均匀地分布在试样中轴线的两侧;曲弧型的声发射点在圆盘的一端较密而另一端较稀疏;月牙型则在试样的中部和一端都累积了部分声发射点;分布特征与宏观破坏方式具有相似性。分形维数D可以较好地反映试样的破坏模式,从倒V形的变化趋势可知,直线形试样D值接近于2,而月牙形和曲弧形试样D值介于2.2～2.7。因此,D值越大,说明裂纹的曲率半径越大;相反D值越小,裂纹越趋于一条直线,破裂形态也就越简单。     

框架式预应力锚固系统分阶段可靠性分析

将框架梁在张拉阶段或工作阶段时纵梁与横梁的破坏、梁的正截面与斜截面的破坏以及锚杆的破坏等主要失效模式视为串联系统,提出了框架预应力锚索的分阶段系统可靠性计算模型。在张拉阶段,将锚索力按照位移协调和静力平衡的原则分配在纵、横梁上,然后按Winkler弹性地基梁模型分别计算单片梁的内力;在工作阶段,将侧向土压力系数视为随机变量,框架梁视为土压力作用下的简支梁来计算其内力。基于各失效模式功能函数之间的相关系数矩阵,导出了预应力锚索框架的系统可靠性计算方法并编制了计算程序。对某工程实例的计算结果表明,预应力锚索框架的失效概率主要由纵梁在工作阶段和张拉阶段的正截面失效概率及锚杆的失效概率三者共同决定,而假设此3种失效模式相互独立的系统失效概率与考虑失效模式相关性的系统失效概率误差为8.1%。     

含预制裂纹脆性岩石破坏数值模拟研究

岩石是经过变形、遭受过破坏的地质体。在外界荷载条件下岩石内部缺陷引起的渐进性破坏,这个过程与材料本身存在的缺陷有着密切的关系。应用数值模拟方法对含有预制裂纹的脆性岩石的破坏规律进行了初步的研究,分析了裂纹的存在对岩石破坏的影响机制。研究发现,在对带有预制裂纹的岩石试件进行加载试验过程中,预制裂纹的存在成为了影响岩石破裂方式的主要因素。与之相比,由材料非均质性所造成的影响便成了次要因素,而对于含有双预制裂纹的岩石试件裂纹的间距是影响岩石破坏型式的重要因素。