不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明：当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了“狗耳”形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力（小于竖直方向压力）及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程。岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律。根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆。模拟结果表明：当竖直方向压力一定时,随着水平方向压力的增加,V形坑的顶点和巷道中心的连线与模型水平轴的夹角,由小于45°向接近45°发展;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值增大。随着岩石峰后脆性的增强,剪切带趋于明显,容易汇合形成V形坑;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值向围岩内部移动。     

某砂岩隧道在开挖过程中变形的数值模拟研究

以某砂岩隧道为背景,首先应用弹塑性理论对隧道开挖后围岩的变形屈服和拱顶及边墙的应力状态进行了分析,继而采用有限差分软件FLAC3D模拟了隧道开挖过程中围岩的位移及塑性变形情况。计算结果表明：该研究段隧道发生塑性屈服的临界深度为78．2m;当隧道开挖31m后,由于开挖卸荷作用使得原先储存在围岩内的大部分应力得以释放,此后困岩变形基本趋于稳定;该隧道在开挖过程中,边墙变形量最大,达到1．94mm,由于隧道在开挖过程中围岩的自稳作用,当开挖到一定时间后,围岩变形将趋于稳定;该隧道在开挖过程中,拱顶和底部以拉张破坏为主,边墙则产生剪切破坏。     

基于SPH法的单轴压缩岩样破坏过程中应变局部化和能量释放数值模拟

本文采用自主编写的光滑粒子流体动力学法程序,在平面应变单轴压缩条件下,开展了非均质岩石试样破坏过程中剪切带、声发射数及应变能释放量的演变规律研究,探讨了形状参数和Weibull分布函数的定位参数的影响,而过去的研究更多地关注形状参数的影响.仅粒子的黏聚力被认为服从Weibull分布.当粒子破坏后,粒子的黏聚力跌落至残余值,在此过程中,最大主应力(即第3主应力)保持不变.得到了下列结果.随着定位参数的增加,破坏粒子的分布由弥散向集中转变,岩样的纵向应力峰值增加.每20个时步数目的全局最大声发射数和全局最大应变能释放量均发生在峰后应力迅速跌落过程中,与二者有关的8个量随形状参数或定位参数的演变规律较为复杂,这应与岩样破坏形态的多样性有关.     

软土地区浅埋偏压小净距隧道空间效应研究

通过对本构破坏准则的探讨,选取Mohr-Coulomb等面积圆屈服理论作为模型的破坏准则,将岩体的c、(φ)值进行修正,使其更适合于软土地区浅埋偏压的小净距隧道,进而建立有限元三维弹塑性数值模型,对米家寨隧道空间效应进行模拟,研究软土体中浅埋偏压小净距隧道施工过程中开挖面的空间约束作用,并对其双线隧道开挖面的合理间距作出分析.以米家寨隧道为例,开挖面对纵向20 m以内围岩具有一定的空间约束作用、30 m以内围岩具显著的空间约束作用且塑性应变较大,左右线隧道开挖面纵向合理间距应控制在30 m左右,通过Matlab计算机编程和再进行工地现场的监测,分析数据证实了所得结论的正确性,为实际的工程提供了理论依据.     

地质体材料剪切带内部的常剪切应变点及速度分布分析

对于峰后线性应变软化的地质体材料,剪切带内部的总剪切应变等于弹性剪切应变（由经典弹性理论描述）及由微结构效应而引起的局部塑性剪切应变（由非局部理论或梯度塑性理论描述）之和。若剪切应力-塑性剪切应变曲线的斜率的绝对值（称之为软化模董）小于剪切弹性模量的两倍,则在剪切带的任一剖面内存在两个总剪切应变不依赖于剪切应力的点,称之为常剪切应变点。在这两个点上,弹性剪切应变的降低和局部塑性剪切应变的增加处于平衡状态,总剪切速度达到它的最大值或最小值。在两个常剪切应变点之间,局部总速度随剪切应力率的降低而增加。剪切带内部的局部总速度分布是非线性的,这与通常采用的剪切带内部速度的线性分布假定（忽略微结构效应）不同。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用＂先加载,后挖洞＂的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及界面参数对它的影响

采用连续介质快速拉格朗日分析程序（FLAC）,模拟了颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及破坏过程。颗粒及它们之间的界面被离散为尺寸相同的单元。颗粒被视为各向同性的弹性材料,而界面被视为弹性-应变软化-理想塑性材料。界面完全破坏之后,其内聚力为零而内摩擦角不为零,因而适于模拟颗粒之间的摩擦行为。在双轴压缩条件下的计算结果表明,压应力通过颗粒之间的接触,以应力线的方式在试样的垂直方向上传递,最终形成了清晰、有序的图案,而剪切应变增量的高值区主要位于一些界面上。从剪切应变增量的高值区中能发现试样中的最薄弱环节。此外,还研究了试样两侧的压应力、界面的初始内聚力及内摩擦角对试样的应力—时步曲线的影响。     

含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性

以某隧道为背景,通过地质条件分析并结合FLAC3D数值模拟手段,采用对比含有厚层软弱夹层和不含软弱夹层的2个不同模型的方法,从地应力变化、塑性区开展、变形、下覆岩体受压和位移等角度分析了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性。发现对于含厚层软弱夹层和不含软弱夹层的这2个不同模型,地应力的差别较小,但都为不含节理的岩体的0.5倍或更小,因此认为节理是影响含厚层软弱夹层硬质围岩变性破坏的因素之一;而2个模型在塑性区开展、变形量、下覆岩体受压和位移等方面差别较大,因此认为厚层软弱夹层对硬质围岩的变形破坏起着显著作用。同时通过创建三维模型采用分步开挖的方法,模拟了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏过程,分析认为其具有隐蔽性和发生时间不确定性的特点。研究结果可为类似地质情况的隧道建设提供参考。     

冲击载荷下锚杆-围岩结构冲击失效机制的数值分析

针对冲击地压造成大量锚杆支护结构破坏问题,采用动力数值计算方法,研究冲击载荷作用下锚杆-围岩的动力耦合作用与破坏机制。结果表明:(1)冲击载荷作用下锚杆与围岩振动存在明显的"时差效应",导致锚杆与围岩非同步振动,致使锚固剂承受动态剪切作用。随着锚固长度的增加锚杆与围岩的振动呈同步趋势,削弱了振动"时差效应"引起的锚固剂剪切作用,有效避免锚杆的脱粘滑移失效;(2)随着冲击速度的增大,"时差效应"导致锚杆锚固剂承受动态剪切作用被覆盖,锚杆的破坏失效模式由脱粘或杆体屈服断裂转变为锚杆与围岩统一破坏模式;(3)当冲击载荷频率接近锚固围岩体固有频率时,冲击载荷引起锚杆与围岩共振,锚杆与围岩同步振动速度幅值显著增大,可在相对较低的冲击速度下造成锚杆与围岩整体失效。远离锚固围岩体的固有频率对锚杆-围岩动力相互作用影响较小。     

含不同随机缺陷数目岩样的破坏过程、前兆及全部变形特征

利用拉格朗日元法模拟了平面应变单轴压缩条件下具有初始随机材料缺陷的岩石试样的破坏过程、前兆和宏观力学响应.利用若干FISH函数于岩样内部规定初始缺陷并计算全部变形特征.比密实岩石弱的缺陷在破坏之后经历理想塑性行为.密实岩石在破坏之后先是经历线性应变软化行为,然后是理想塑性行为.随着缺陷数目的增加,剪切带间距缩小;岩样的强度下降.在应变软化阶段,最大不平衡力的明显的突增是由于被剪切带切割的试样块体发生了沿剪切带方向的运动.试样内部的缺陷数目越少,应变软化阶段最大不平衡力的峰值越高.无论从单元破坏角度,还是从侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线、计算得到的泊松比-轴向应变曲线角度,都得到了相同的结论（即,缺陷越多,破坏前兆越明显）.采用两条倾斜的扫描线对岩样最终的破坏形态进行了扫描,发现当扫描线间距等于半个至1个单元长度时,初始随机缺陷位置与岩样最终破坏形态具有很好的相关性.     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值（计算得到的泊松比）。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力-侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加栽阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0．5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

An experiment on temperature variations in sandstone during biaxial loading

The temperature response to stress–strain variations in rock is useful in developing an understanding of the thermodynamic property of crust. In this study, the temperature of sandstone during loading was investigated using laboratory biaxial testing. By changing the loading patterns, the deformation of a specimen was controlled to produce two distinct modes of strain: volume strain only and shear strain only. These strain modes were produced separately such that the temperature variation associated with the different deformation modes could be analysed. Experimental results indicate that temperature, as a scalar quantity, is notably sensitive to rock deformation. In the case of the volume strain, the temperature variation is positively correlated with the variation in the bulk stress. The temperature rises with the increase in hydrostatic pressure, and vice versa. In the case of the shear strain, experimental results repeatedly show two characteristics: firstly, there appears obvious increase in temperature in the area of pure shear strain, which is most likely related to local plastic deformation; secondly, the temperature drops in the area of tension during loading, whereas the temperature rises within the area of compression. This is to say, the state of crustal stress–strain should be obtained through the measurement of rock temperature.     

Influence of confining pressure and impact loading on mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist

In order to investigate the dynamic mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist under confi ning pressure, two rocks are subjected to impact loadings with different strain rates and confi ning pressures by using split Hopkinson pressure bar equipment with a confi ning pressure device. Based on the experimental results, the stress-strain curves are analyzed and the effects of confi ning pressure and strain rates on the dynamic compressive strength, peak strain and failure mode are summarized. The results show that:(1) The characteristics of two rocks in the ascent stage of the stressstrain curve are basically the same, but in the descent stage, the rocks gradually show plastic deformation characteristics as the confi ning pressure increases.(2) The dynamic compressive strength and peak strain of two rocks increase as the strain rate increases and the confi ning pressure effects are obvious.(3) Due to the effect of confi ning pressure, the normal stress on the damage surface of the rock increases correspondingly, the bearing capacity of the crack friction exceeds the material cohesion and the slippage of the fractured rock is controlled, which all lead to the compression and shear failure mode of rock. The theoretical analysis and experimental methods to study the dynamic failure mode and other related characteristics of rock are useful in developing standards for engineering practice.     

地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟研究

隧道围岩受地震荷载作用影响产生开裂变形,给交通、安全与经济带来极大影响,为提升隧道安全稳定性能,以某市隧道为对象,研究地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟。综合考虑地震动作用与地震波扩散特性,利用FLAC软件构建三维动力模型;通过边界设置解决地震波反射问题,基于物理力学参数与地震荷载条件,通过相对变形法研究地震条件下深埋隧道围岩变形特性、能量聚集特性与安全性能。研究结果显示:深埋隧道围岩受地震荷载作用影响,形成挤让、椭圆化的变形走向;变形达到最高值时,应变能量密度高于2350 J/m^3的区域集中在隧道Ⅰ洞左侧围岩边墙和中夹岩柱上;各监测点安全系数呈非对称性,隧道右侧下角区域安全系数低于国家相关标准,计算结果与实际测量结果一致。     

基于梁柱稳定理论的深埋隧洞岩爆破坏及孕育机理研究

深埋隧洞中岩爆轴向位置的确定以及破坏机理的研究是岩爆灾害预测和防治的理论基础。根据深埋长大隧洞围岩的结构、受力以及变形特点,建立了梁柱力学模型。在弹性范围内,运用力法,求解了该一次超静定梁柱的挠曲线方程和转角方程,得出了临界力的解析表达式。以锦屏II级水电站的松动圈实测数据为依据,给出了梁柱模型截面尺寸的确定方法,计算了围岩各部位存在稳定性问题的临界长度值以及达到临界稳定状态的特征长度值。最后,给出了深埋隧洞坑状岩爆的演化模型,分析了掌子面推进过程中,开挖卸荷、动力扰动等对于裂纹的萌生和扩展、围岩结构的形态和稳定性以及岩爆破坏模式的影响。