离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

顺层岩质边坡渐进破坏及失稳机理的数值模拟研究

提出了利用Lagrangian乘子网格来模拟顺层边坡层间结构面接触行为的方法,并推导了考虑接触约束的Lagrangian控制方程的弱形式及其有限元离散方程。Lagrangian乘子网格容许界面出现较大的切向滑移,较好地解决了接触问题中的高度非线性和响应不平滑性。应用以上方法对沪－蓉－西高速公路某顺层岩质高边坡进行了数值模拟分析,得到了临滑状态下的位移场、应力应变场、结构面上的接触状态、层间滑移距离以及接触摩擦力的分布规律。数值模拟结果表明,顺层岩质边坡的破坏是一个渐进的过程,由最初的层间错动,发展为顺层蠕滑,最后在坡底剪出而破坏;其破坏型式由最初的顺层滑动逐步向溃曲破坏转化。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

土坡渐进破坏的可靠度

在考虑土的抗剪强度参数的变异性及相关性的基础上,以可靠度的方法研究土坡渐进破坏问题。将滑动面上的土体按等弧长划分为n个土条,假设每个土条的安全余量服从正态分布,相邻两个土条的安全余量则服从二元正态分布,根据土条破坏传播的概率,计算土坡渐进破坏的概率以及土坡中裂缝开展长度的期望值, 并对算例的结果进行了讨论。     

岩质边坡渐进破坏的三维随机分析

层间错动带是岩体结构中普遍存在的一种地质现象,含错动带的岩质边坡三维分析更是岩土工程关注的难点问题。结合国内某高拱坝工程,根据岩体层间错动带的分布状况,利用等厚度节理单元模拟了坝区22层错动带和软弱夹层,利用Mohr-Coulomb准则确定节理单元的破环方式,提出了岩质边坡三维滑动面的确定方法,该方法考虑了岩石和错动带（软弱夹层）的随机性。利用弹塑性理论、可靠度理论和破坏追踪相结合的方法,通过3 000多次有限元的计算,得到了边坡滑动面的位置、形态、破坏的先后顺序、滑动的方向以及滑动到任何程度的概率度量。含层间错动带的岩质边坡渐进破坏模式可概括为边坡的破坏起始于层间错动带的剪切破坏。随着各层间错动带的破坏、边坡结构性能恶化,部分较薄的岩层变成不同支撑形式的板,然后部分岩层开始破坏,边坡开始滑动,形成一个或几个破坏台阶,直至失稳。     

基于试验的花岗岩渐进破坏本构模型研究

对取自大渡河流域大岗山电站的花岗岩进行了系统的试验研究,得到了不同围压下的应力-应变曲线。根据岩样受力过程中内部微裂纹的活动状态,定义了4个特征应力,即闭合应力、起裂应力、破损应力、峰值应力,来反映花岗岩的渐进破坏过程,特征应力也反映了岩石内部的损伤程度。依据特征应力,将试验曲线分为4个阶段,并对每一阶段分别求取变形模量和泊松比。结果表明,变形模量不仅与围压有关,且与岩石的损伤程度有关,而泊松比只取决于岩石的损伤程度。特征应力可由体积应变曲线结合线性回归技术准确求取。在此基础上,提出了一个考虑花岗岩渐进破坏的本构模型。在该模型中,变形参数(弹性模量、泊松比)是应力状态的函数,强度参数（凝聚力、内摩擦角）是塑性变形的函数。将该模型嵌入大型有限元分析软件ABAQUS,对不同围压下的花岗岩室内压缩试验进行模拟,结果表明,模拟所得的应力-应变曲线与试验曲线的吻合程度较高,模型能反映花岗岩等脆性岩石的峰前非线性力学行为。     

考虑扩容的围岩局部破坏过程中声发射及能量释放的数值模拟

本文模拟了巷道开挖之后,围岩发生局部破坏过程中的声发射及能量释放的演变规律,其中考虑了围岩的峰后扩容特性。介绍了FLAC中扩容角的引入方法,对于剪切而言,仅第3塑性主应变的增量才与扩容角有关。阐述了统计声发射及能量释放的方法,前者仅统计事件的数目,而后者可以考虑事件的大小。研究发现,扩容角的增加会使巷道围岩中的剪破坏单元数及所释放的能量提高;会使V形坑变大、变钝、变深,这是由于第3主应力与剪切带之间的夹角增加的结果。解释了设置固定的抗拉强度,单元却发生拉伸软化及释放拉伸应变能的原因。从与能量释放有关的量的演变规律中一般能发现V形坑式破坏的前兆,而从声发射数上则不然,这反映了统计事件大小的优势。如果将扩容角置零,会低估围岩的破坏范围及释放的能量,但是对于巷道围岩的再次平衡却是有利的。     

高地应力硬岩洞室开挖破坏区数值模拟方法探讨

随着深部地下洞室的大量兴建,深部开挖过程中开挖破坏区的形成及其预测成为国内外岩石力学研究的焦点。本文首先对硬岩破坏过程的力学特性进行了分析,在此基础上对当前岩石力学工程界惯常采用的连续介质模型和粘聚力弱化-摩擦强度强化（CWFS）模型进行了比较;利用岩土工程分析软件FLAC,采用理想弹塑性、弹脆塑性、应变软化及CWFS模型对加拿大Mine-by Experiment圆形试验洞室进行了数值分析,通过对围岩应力分布、关键点应力大小和塑性区分布的对比分析,发现CWFS模型计算得到的应力场更能准确反映破坏区产生后应力向围岩深部转移并集中的特征;这一应力分布特征与开挖破坏区不存在时的结果更接近;与其它模型相比,CWFS模型计算得到的破坏区范围和深度更大,与现场实测值更加吻合。最后采用CWFS模型对挪威Kobbskaret公路隧道破坏区大小进行了计算分析,再次验证了采用CWFS模型对硬岩开挖破坏区预测的合理性。     

条带矿柱平均垂直应力的宏观分布

本文选用层状介质理论及其相应的开采沉陷预计分析系统，通过反演给出了条带开采时条带矿柱平均垂直应力宏观分布的图式及其简化计算方法。     

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。     

一种黄土滑坡渐进破坏过程分析

在中国西北,建设了许多灌溉水渠,由于水渠的灌溉引起了许多滑坡破坏,并带来了人员伤亡和财产损失。以高楼村水渠灌溉引起的黄土滑坡破坏为例,提出了滑坡破环渐进过程为：水的入渗在滑体中产生一定深度的水压力,引起黄土黏聚力和摩擦角下降,使滑坡体在一定深度产生剪破坏,紧接着滑体后缘产生拉剪破坏,致使后缘黄土处于破坏后区状态,并产生不平衡剪应力。该不平衡剪应力驱动滑体向前移动,直至滑面只有一点处于临界状态,随即整个滑坡发生破坏,并伴随着滑体解体,产生泥流。这种破坏过程可以概括为：滑坡先产生剪破坏,紧接着后缘产生拉剪破坏,当破坏后区产生的驱动剪应力大于滑体的摩阻力,会推动滑坡向前移动,直至滑坡发生完全破坏。以理论和试验论证了这种破坏机制的正确性,并验证了一种新剪应力本构模型的合理性。     

孔隙水压作用下岩样加载破坏过程的数值模拟

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA^2D，通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟，研究了孔隙水压力对岩石强度、应力-应变曲线和破坏模式的影响，再现了受压试件在孔隙水压力作用下破坏过程及其逐步演变的应力场和渗流场。结果表明，孔隙水压力对岩石变形、破裂过程及其破坏模式有很大影响。     

细长窄煤柱破坏机理的数值分析

对特厚煤层条件下采用螺旋钻机开采细长窄煤柱的破坏过程进行了数值模拟。模拟结果再现了开采过程中煤柱破坏发生、发展直至塑性区贯通破坏的全过程,并从应力场演化分析了煤柱破坏过程的应力分布特征及破坏机理。     

裂隙性粘土边坡渐进性破坏的FLAC模拟

裂隙性粘土是一种具有特殊性质的粘土,这种粘土边坡的破坏是渐进性的,传统的极限平衡法无法描述分析它的破坏过程和机理,也无法精确地判断它的长期稳定性。用FLAC程序对裂隙性粘土边坡的渐进性破坏过程进行了描述,算例表明在一定程度上用FLAC程序来模拟边坡渐进破坏和进行稳定性判断是可行的。     

锚固体应力分布规律的数值模拟分析

采用非线性有限元法,分析了全长粘结式锚杆在荷载作用下剪应力的分布规律,同时研究了被加固岩土体的性质对锚固体剪应力分布规律的影响。并将数值模拟的结果与理论计算以及试验结果进行了对比分析。分析表明,锚固体剪应力的分布非常不均匀;当荷载不大时,锚杆所受的剪应力分布范围较小,而最大剪应力数值较大;随着荷载的加大,剪应力的分布范围有向下扩展的趋势,但扩展的速度比较慢;锚固体所受的剪应力的大小和分布与岩体性质有密切的关系,岩石越坚硬,剪应力分布越集中,最大剪应力的数值越大;而岩体越松软,剪应力分布就越均匀,最大剪应力的数值就越小。     

边坡破坏过程离心模型试验的应力位移场研究

提出了一种确定离心模型试验过程中边坡的应力和位移场及其变化过程的方法。基于物理测量与数值模拟相结合的思路,首先采用离心场非接触位移测量技术测量出边坡的位移场;然后通过数值模拟和反演分析等途径算出边坡的应力场。该方法已成功用于多个边坡离心模型试验中的应力位移场的确定,表明了该方法可以较好地得出离心模型试验过程中边坡的应力和位移场。边坡离心模型试验结果表明,边坡的破坏过程与应变局部化和应力集中的过程有着密切联系。     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义