岩体节理模型的节点偶对分析

本文提出一种节点偶对分析用以解决岩体节理模型的数学模拟问题。为改善Goodman单元,M. Katona提出了不考虑刚度系数的摩擦-滑动节理模型。但是,由于缺乏可行的分析方法,因而得不到真实可信的结果,特别是出现块体相互嵌入问题,影响了它的实际应用。本文提出的节点偶对分析建立在几何-力学约束边界的序列矢量判定的基础上,计算结果完全合理。利用这一方法还可顺利地解决节理交汇组合等复杂的岩体力学问题,是一个有前景的方向。     

三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法

岩体中的裂隙分布具有随机性,且渗流主要通过裂隙面进行。运用蒙特卡罗法模拟生成岩体中的随机裂隙面,基于矢体的概念,实现了包括凹块体和多连通体在内的三维随机裂隙岩体的块体单元自动识别。假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,建立了三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法。通过算例分析,验证了所提方法的准确性和有效性。     

裂隙岩体一般块体理论初步

本文在前人工作的基础上提出了一种通用方法解决任意大小裂隙、任意形状工程岩体的岩石块体识别及稳定性计算问题.在这一方法中裂隙既可以是实测裂隙也可以是通过随机模拟方法生成的随机裂隙,工程岩体可以是任意由多面体组合成的形状,如复杂边坡或地下洞室,而且岩体和裂隙面可以是非均质的.这一通用过程被称为一般块体理论.它克服了关键块体理论(或楔形体法)中存在的弱点:即把裂隙假设为无限大的不连续面,因此无法预测岩石块体的数量和位置,而且一般只能识别出简单形状的凸形体.它在块体识别的同时将复杂的块体分解为几个简单的凸形块体,从而使复杂块体的几何描述、体积及重力计算、力学分析、可视化表示等一系列问题大大简化.在对一公路边坡的裂隙进行了详细观测之后,利用本文的方法进行了块体识别和稳定性分析,对本文的研究进行初步的验证.     

随机裂隙岩体渗流-应力耦合分析的块体单元法

视岩石裂隙为一种“充填介质”,进而将有填充物和无填充物的裂隙统一处理,推导了裂隙面的刚度系数、导水系数和法向应力之间的关系式。在此基础上,根据块体单元法的应力、渗流分析的基本原理,即认为岩块为刚体、变形集中发生于裂隙面,假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,并考虑了法向应力和裂隙面刚度、导水系数的关系式,运用两场交叉迭代法,提出了三维随机裂隙岩体渗流与应力耦合分析的块体单元模型。编写了相应的Fortran程序,该程序将块体元的应力、渗流两个分析模块整合在一起,计算效率较高。该模型的最大优势是能考虑大规模复杂的节理、裂隙,且前、后处理简单。通过沙沱重力坝的分析,验证了方法的准确性和有效性     

加锚节理岩体的复合单元法研究

加锚节理岩体有着复杂的细部结构和力学行为,常规的数值模型很难满足模拟这种力学行为的要求。进一步发展了笔者建立的加锚岩体的复合单元法,提出加锚节理岩体的复合单元法研究。在不考虑锚杆、节理等细部结构的情况下划分网格,分别定义了加锚岩体复合单元、不连续岩体复合单元和加锚节理岩体复合单元,并建立了其数值模型。同时,在复合单元中还定义了不同材料介质的子单元用来模拟加锚节理岩体内复杂的细部构造。对加锚节理复合单元法进行了理论推导和算例研究,通过与常规有限单元法计算结果的比较,表明了加锚节理岩体复合单元法的合理性,同时也突出体现了其前处理简便的优势。     

基于离散裂隙网络模型的节理岩体渗透张量及特性分析

节理岩体几何结构非常复杂,研究其渗流特性对于指导含水岩层稳定性分析具有重要价值。应用离散裂隙网络模型DFN方法,基于VC++6.0软件平台,建立了平面渗流分析方法,分析了节理岩体不同几何分布情况下的渗透率张量特征,通过定义渗流定向性系数对岩体渗流的定向性特征进行了定量分析。结果表明：单组节理岩体渗流具有明显的各向异性特征,渗流定向性随着节理角度变化显著;节理随着节理贯通性增加,节理渗透率呈现对数增加趋势;两组节理情况下,各向异性特征随着节理组间夹角变化;两组节理岩体渗流特征研究中,正交分布下,岩体仍存在各向异性,但渗流定向性系数较低;当节理倾角服从正态分布时,随着节理倾角标准差增大,渗透率增加;两组节理夹角不同时,节理渗透主方向倾角随着夹角增大而相应增大,基本沿两组节理夹角方向的角平分线方向。     

含交叉裂隙节理岩体单轴压缩破坏机制研究

对含交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,用Abaqus对含交叉裂隙节理岩体进行应力分析,研究了含交叉裂隙节理岩体单轴压缩下的破坏机制。结果表明：交叉裂隙的主裂隙与加载方向呈30°、45°时,主裂隙是裂隙扩展及破坏的控制裂隙,此时含交叉裂隙岩体强度高于含单向裂隙岩体,是由于主裂隙裂尖最大环向应力σθmax低于单向裂隙;主裂隙与加载方向呈0°或90°时,次裂隙是控制裂隙;主裂隙与加载方向呈0°时,大部分次裂隙裂尖σθmax及裂尖最大应力强度因子KⅡmax高于单向裂隙,因此,此时大部分含交叉裂隙岩体强度低于含单向裂隙岩体;在主裂隙与加载方向呈90°工况组中,主、次裂隙夹角为45°时,次裂隙裂尖KⅡmax最大,所以此工况组中此时强度最低。     

北京房山岩溶区节理裂隙分布特征研究

北京房山区岩溶发育广泛,通过对发育其中的节理裂隙进行统计分析,发现房山地区的节理裂隙多为高角度垂直节理;节理密度较大,填充物较少,同一地点通常发育两到三组节理。高密度、高角度、渗透性好的多组节理裂隙为岩溶作用和风化剥蚀作用,提供了极为有利的条件;而沿节理裂隙入渗的雨水直接下渗溶蚀,使原本的裂隙网络被扩大。     

裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型

基于复合单元法建立了裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型。该模型前处理简便快捷,网格剖分不受限制,可依据裂隙的真实信息自动将其离散在单元内。其次,采用交叉迭代算法,对裂隙岩体的渗流场和温度场进行耦合分析,耦合算法不仅考虑了温度对流体运动黏度的影响,而且可计算裂隙中流体与相邻岩块间渗流-传热过程以及两者间的渗流量和热量交换。通过与已有近似解析解相比较,验证了复合单元耦合算法的可靠性。算例分析表明,渗流-传热耦合作用对裂隙岩体的渗流场和温度场均有一定的影响。分析了不同岩块热传导系数和裂隙开度对热能提取效率的影响,结果显示,岩块热传导系数越大、裂隙开度越大,低温流体从高温岩块中吸取的热能会较多,出口处流体温度下降得较快。     

Microplane damage model for jointed rock masses

The paper presents a new microplane constitutive model for the inelastic behavior of jointed rock masses that takes into account the mechanical behavior and geometric characteristics of cracks and joints. The basic idea is that the microplane modeling of rock masses under general triaxial loading, including compression, requires the isotropic rock matrix and the joints to be considered as two distinct phases coupled in parallel. A joint continuity factor is defined as a microplane damage variable to represent the stress‐carrying area fraction of the joint phase. Based on the assumption of parallel coupling between the rock joint and the rock matrix, the overall mechanical behavior of the rock is characterized by microplane constitutive laws for the rock matrix and for the rock joints, along with an evolution law for the microplane joint continuity factor. The inelastic response of the rock matrix and the rock joints is controlled on the microplane level by the stress–strain boundaries. Based on the arguments enunciated in developing the new microplane model M7 for concrete, the previously used volumetric–deviatoric splits of the elastic strains and of the tensile boundary are avoided. The boundaries are tensile normal, compressive normal, and shear. The numerical simulations demonstrate satisfactory fits of published triaxial test data on sandstone and on jointed plaster mortar, including quintessential features such as the strain softening and dilatancy under low confining pressure, as well as the brittle–ductile transition under higher confining pressure, and the decrease of jointed rock strength and Young's modulus with an increasing dip angle of the joint. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

黏弹性节理岩体的位移不连续模型研究

选用三参数标准线性固体作为岩石本构,提出了一种考虑岩体黏弹性的位移不连续模型;根据一维黏弹性波的特征线法,推导了节理处质点速度、应力和应变递推公式。首先,基于分离式霍普金森压杆（SHPB）对砂层进行试验,得到其应力-应变关系,并换算出砂层节理的法向刚度;接着,通过一维强间断黏弹性波的波速公式、高频波衰减系数以及任一频率下的衰减系数,确定出数值算法中的三参数。最后,基于自制的摆锤装置,探讨了一维应力波在节理岩体中的传播规律,试验中以两根长1 000 mm、直径为68.50 m的岩杆作为入射和透射杆,以3 mm砂层模拟节理。试验和数值结果吻合度良好,进一步验证了该方法的可靠性。     

Parametric study of the smooth‐joint contact model on the mechanical behavior of jointed rock

The smooth‐joint contact model based on distinct element method has been widely used to represent discontinuity in the simulation of fractured rock mass, but there is rare efficient guidance for the selection of proper parameters of smooth‐joint contact model, which is the basement for using this model properly. In this paper, the effect of smooth joint parameters on the macroscopic properties and failure mechanism of jointed rock under triaxial compression test is investigated. The numerical results reveal that the friction coefficient of smooth joint plays a dominant role in controlling mechanical behaviors. The stiffness of smooth joint has a relative small influence on the mechanical behaviors. Poisson ratio decreases with the reduction of normal stiffness but increases with the reduction of shear stiffness. The reduction of smooth joint strength, which is determined by normal strength, cohesion, and friction angle of smooth joint, contributes to the breakage of bonded smooth joint and ultimately decreases the strength of the specimen. We proposed a detailed calibration process for smooth‐joint contact model according to the relationship between smooth‐joint parameters and mechanical properties. By following this process, the numerical results are validated against corresponding experimental results and good agreement between them can be found in stress‐strain curves and failure modes of different joint orientations. Further analyses from the microperspective are performed by looking at transmission of contact force, the nature and distribution of microcracks, and the particle displacement to show the failure process and failure modes.     

基于离散元法的节理岩体边坡稳定性分析

节理岩体边坡的稳定性在很大程度上取决于节理的强度及其分布形式。由于节理岩体边坡的失稳破坏具有大变形和非连续的特点,因此,离散单元法成为研究节理岩体边坡破坏机制的最有效方法之一。通过采用离散元软件PFC2D进行数值模拟,对完整岩石及节理的力学性能进行研究,并建立含密集节理的岩体边坡模型,讨论了节理连通率对边坡破坏形式的影响。结果表明,节理岩体边坡的失稳破坏是一个渐进的过程;在多组节理密集分布的岩体边坡中,连通率越大,其稳定性越差;随着连通率的减小,边坡的破坏形式由大范围的滑坡转变为局部崩塌的形式     

基于块体单元法的岩石边坡安全系数研究

岩石边坡因其结构面数量众多、块体系统及其滑动方式复杂,给危险块体组合的搜索及其安全系数计算带来很大困难。基于块体单元法,对岩石边坡中的危险块体组合搜索及其安全系数的计算方法进行了研究。首先,在块体元强度折减计算的成果下,根据屈服面贯通理论提出搜索危险块体组合的新方法;然后,对安全系数计算方法进行研究,建议在位移突变判据下采用双线性交叉法计算安全系数;最后,进行了单面、双面和多面滑动以及复杂块体系统的算例分析,并与刚体极限平衡法计算结果进行了对比。结果表明,由于块体单元法考虑了力与力矩的平衡及结构面上应力的非均匀分布,其计算结果更准确。该方法有望广泛应用于复杂岩石边坡稳定分析。     

柱状节理岩体原位变形试验力学浅析与模拟

在白鹤滩坝址区柱状节理岩体原位变形试验成果的基础上,针对节理刚度的取值进行讨论,利用柔性中心孔试验值反算得到柱状节理岩体节理面刚度值。岩体变形是由岩块和节理两部分组成,分析含单节理岩体概念模型的单轴加、卸载规律性和其变形特性,发现其滞回特性是节理力学行为造成的;推导得到了岩体变形计算公式,可用于多组相交节理岩体等效弹性模量的计算,能够反映出节理岩体的各向异性特征;建立了柱状节理随机模型,采用离散元方法和反算的刚度值进行了仿真分析,得到等效变形参数在试验结果范围内。     

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager（下简称D-P）准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯I、纯II及I、II复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的I型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及I、II复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。     

节理岩体关键块体稳定的概率分析

基于地下岩体受节理面的控制,节理面的几何和力学参数随机分布,从而导致岩体系统具有高度不确定性,提出以关键块体理论为基础,考虑节理几何和力学参数随机性的岩体开挖可靠度分析方法,并给出了块体稳定的总失效概率评价模型。以澳大利亚阿德莱德地区一铜矿地质条件为例,以节理面倾角、倾向、摩擦系数和黏聚力为随机变量,通过Monte Carlo模拟和概率图方法,进行了岩体可靠度和失效概率的计算。最后,采用条件概率的分析方法,计算了单面滑动块体的总失效概率。计算结果表明,块体沿单面滑动并且出现的概率为11.0%,总的失效概率为3.85%,超过一般岩体工程可允许的风险水平,认为该方法可以作为评价块体可靠性的依据。     

A three-dimensional equivalent continuum constitutive model for jointed rock masses containing up to three random joint sets

A three dimensional constitutive model is formulated for deformation analysis of jointed rock masses containing up to three joint sets with arbitrary spatial configurations. A representative elementary volume (REV) that represents the deformational response of the rock mass is defined and the constitutive relationships are developed based on superposition of deformations of the REV components. By representing the constitutive relationships in a tensorial form, the model is able to implement deformation anisotropy of jointed rock masses. The Mohr-Coulomb failure criterion with tension cut-off is used for the intact rock and the joint sets. The model is implemented in FLAC^3D and the deformations and strength values calculated by the model are compared with the results from a 3DEC model and analytical solutions. The model results are in good agreement with those obtained from 3DEC.     

节理岩体冲击破坏的数值流形方法模拟

节理的存在是岩体明显区别于岩石的一个重要特征,也是导致岩体具有非均质性及各向异性的一个重要因素。节理岩体在爆炸冲击荷载作用下的破坏特征不仅是岩体力学研究的一个热点问题,也是岩石爆破领域经常遇到的一个工程问题。目前,常用的有限元和离散元等数值方法都不能很客观地反映岩体中节理分布的实际规律,而最新出现的数值流形方法则完全能够按照岩体中节理的实际分布规律进行建模,并能够很好地模拟岩体在外力作用下新裂纹的产生及已有节理的开裂。对3种不同节理岩体,即无节理岩体、均布水平节理岩体、均布垂直节理岩体等在均布垂直于圆周方向上的冲击荷载作用下的破坏过程进行了模拟。由模拟结果可以明显看出,节理的存在对岩体的破坏型式起到了关键性的控制作用。对于完整岩体,其破坏型式呈现出了很好的对称性;而对于水平及垂直节理岩体,其破坏型式在很大程度上受到节理分布的控制。研究结果对岩石爆破工程设计具有一定的指导意义。