节理岩体等效流变损伤模型及其在卸载边坡中的应用

重大建设项目对施工过程中岩土体稳定性提出了更高的要求,常以一种动态设计施工模式来应对工程体的各类突发状况与病害。流变损伤模型既能反映岩土体在施工过程中变形的时效发展,又能反映其力学性质的时效劣化,继而能较准确地掌握工程体动态稳定性。基于以上考虑,为体现卸载边坡工程在卸载回弹阶段的瞬时塑性特征和时效演化阶段的黏塑性特征,因此,在流变模型中引入加载塑性元件和黏塑性元件,建立了复合黏弹塑（弹-黏-黏弹-黏塑-塑）模型,室内岩石压缩（卸载）蠕变试验证明了该流变模型的合理性,并对其参数进行辨识。在此基础上,从几何研究方法出发,引入反映节理分布的初始损伤张量及一种等效的依据黏塑性偏应变推导出的损伤演化方程,最终建立了一种新型的节理岩体等效流变损伤模型。将此模型用于川东红层某软硬岩互层型路堑边坡的卸载分析,结果表明：随不同的开挖阶段,易损部位（软岩集中段、软岩深埋段、软硬交接硬岩段）在瞬时卸载回弹阶段的塑性损伤和时效演化阶段的黏塑性损伤逐渐积累,边坡浅表部逐渐出现卸载损伤（松弛）带,在损伤累积中边坡各部位蠕变速率呈不同程度的增长。计算结果较好地反映了边坡变形、损伤发展与动态稳定性特征,其研究结果对于指导支护时机及相应的信息化施工具有一定的意义。     

加锚岩体流变特性及锚固控制机制分析

通过室内蠕变试验和理论分析,对加锚改善岩石流变力学特性进行了研究,并探讨了锚固控制岩石流变的力学机制。采用RLJW-2000型流变试验机,对红砂岩及其加锚试件进行分级加载（100 h以上）单轴压缩试验,结果表明,加锚后岩石的流变应力阀值提高了20%～30%? c,且不同应力水平流变量均能得到一定控制,加锚使试件的长期强度增加了5%～10%? c。此外,基于整体协调变形原理,建立了加锚体流变本构方程,推导出了一维B-K模型解答,算例分析表明,锚杆密度越大,对岩石流变控制效果越好,得出锚杆等效刚度是约束岩石流变的主导因素,但从技术经济角度考虑,锚杆支护密度与岩石流变参数之间存在一个合理的匹配区间。研究结果对长期使用的岩体工程锚固支护设计提供了理论依据。     

基于最小耗能原理的黏弹塑性损伤模型

在基于“应变等效假定”和“余应变能等效假定”两种不同损伤力学基本假定的黏塑性损伤本构方程基础上,将最小耗能原理应用于固体介质的黏弹塑性问题,给出了损伤材料的黏塑性应变流变速率、黏塑性损伤发展速率和黏弹-塑性材料积累应变强弱化速率的非线性演化发展方程,建立了两个不同的黏弹塑性损伤模型（A和B）,并进行了试验验证。作为算例,最后运用黏塑性损伤模型A,对地震荷载作用下建于岩石基础上的某混凝土重力坝的动力损伤问题进行了分析,结果表明该模型应用于混凝土重力坝的动力损伤分析是可行的。     

围岩-锚固体流变控制机制及支护最优化设计

针对巷道围岩的流变特性及其控制理论,通过黏弹性理论和非线性最优化原理,在考虑开挖面空间效应的基础上,研究围岩-锚固体的耦合作用机制,并建立巷道支护最优化设计模型。通过算例分析了支护时间、锚固体厚度、巷道半径以及原岩应力对围岩-锚固体流变特性和巷道支护最优化设计的影响。结果显示,支护时间、锚固体厚度、巷道半径以及原岩应力都与巷道围岩的稳定性有着密切的联系。巷道位移随着支护时间的增长、锚固体厚度的减小、巷道半径和原岩应力的增大而增大;当锚固体受力处于临界状态时,锚固体厚度随着支护时间的增大而减小,且当锚固体厚度较小时,锚固体厚度与支护时间近似呈线性关系。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

单/多离层作用下锚杆受力特性分析

巷道围岩由于变形的不协调常常会产生单个或多个离层。根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机制,对单个离层产生的锚杆附加应力建立弹塑性力学模型,讨论了弹性状态下离层对锚固体荷载的影响,随着离层进一步扩展,锚固体界面进入弹塑性阶段,基于剪切滑移模型,确定出离层左右两侧的滑移范围。总结出离层作用下锚杆受力全过程分为5个阶段：全弹性、单侧弹塑性、两侧弹塑性、一侧全滑移而另一侧滑移范围增大、全塑性直至锚杆承受极限拉拔荷载而破坏。采用模型试验数据对岩体离层-锚杆轴力曲线特性进行对比验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好。根据应力叠加原理,推导出多离层情况下锚杆的应力求解公式,得出应力分布为多峰曲线。通过实例对离层值、离层位置做了参数分析,离层对锚杆的荷载影响应在今后的锚固设计中予以考虑。     

锦屏二级水电站引水隧洞长期稳定性数值分析

针对锦屏II水电站深埋引水隧洞高地应力、强渗透压的复杂赋存环境及硬脆性岩体的特点,采用凝聚力弱化-摩擦强化（CWFS）模型反映岩体的脆塑性变形特点。采用黏弹性模型反映其黏性变形规律,基于现场的位移监测资料,通过遗传规划和粒子群算法的流变模型及参数识别方法得到黏弹脆塑性流变模型及其参数,利用大型岩土工程分析软件FLAC3D,模拟了隧洞群岩体的流变力学行为、喷锚支护型式及其与围岩相互作用机制以及工程结构体在高渗透压下的流固耦合效应。通过模拟结果的分析,采用位移、位移速率、应力、破坏接近度及支护结构的受力状况等状态信息的综合集成分析方法,对此工程围岩及结构体在复杂赋存环境中的长期稳定性状态进行了评价,并论证了现有设计方案的合理性,为指导工程设计和施工起到重要的作用。     

降雨入渗对流变介质隧道边坡稳定性的分析

针对在建公路边坡,受切破、降雨和施工等影响引起边坡及铁路偏压隧道的严重变形,采用三维有限差分数值模拟。计算程序FLAC3D以塑性力学、流变力学和渗流力学为理论依据,利用改进的黏弹塑性流变模型,分析山区挖方边坡和坡顶隧道联合稳定性的过程。通过自编的计算程序,对隧道边坡各种工况力学-流变-渗流进行数值模拟计算,根据计算所得的位移和孔隙压力等值线分布特征,分析其潜在滑动带和隧道破坏影响区,确定其重点加固的范围。应用结果表明,工程抗滑桩桩顶位移监测数据与数值计算结果比较吻合,改进的黏弹塑性流变模型能较好地描述岩土类材料的流变特性。     

基于量化GSI系统的破碎岩体应变软化行为研究

松软破碎岩体的复杂力学特性给深部开采工程带来一系列棘手的问题,深入研究破碎岩体峰后力学行为,对于深部巷道围岩稳定性分析及支护结构设计具有重要意义。基于量化GSI围岩评级系统及连续介质理论,建立了考虑围压影响的破碎岩体峰后应变软化力学模型。通过工程应用实例验证了数值模型的可靠性。研究结果表明：通过计算围岩与支护结构相互作用关系可知,理想弹塑性模型和应变软化模型所得计算结果差异较大,采用理想弹塑性模型进行支护设计,可能导致支护结构的安全性偏低,甚至失稳。现场应用结果表明：数值计算结果与现场实际情况吻合;提出的深部破碎岩体应变软化模型能够较为真实地反映破碎岩体的非线性破坏行为,可为硐室围岩稳定性分析及支护结构设计等提供新的思路。     

基于FLAC3D的改进Burgers蠕变损伤模型的二次开发研究

岩石的流变变形对于岩质边坡和地下结构产生重要影响,其时效特性越来越引起人们的关注。然而通用分析软件所提供的岩石流变本构模型均有其特定的使用范围,往往不能满足工程数值分析的需要。考虑到岩体中参数劣化造成的影响,采用了一个变参数的改进Burgers蠕变损伤模型,该模型认为岩体的蠕变参数是随时间因子逐渐弱化的,这弥补了FLAC3D自身流变模型的不足,并利用FLAC3D（Version 2.1）提供的二次开发程序接口,分析了蠕变损伤模型二次开发程序运行的基本原理,给出了该模型具体的程序框图和代码编写中应该注意的关键问题。介绍了该模型的几种退化形式,通过算例分别验证了该模型黏弹性、塑性和损伤的力学性质,分析了损伤参数对蠕变曲线的影响,并由此介绍了验证流变模型二次开发程序正确性的一般步骤。由于采用了面向对象的编程技术,FLAC3D二次开发接口简单实用,研究思路可为其他流变本构模型的二次开发提供参考。     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。研究结论：（1）建立了与工程实际相符合的锚索锚固力变化和岩土体蠕变的耦合效应计算模型,正确反映了预应力锚索锚固力损失和岩土体蠕变之间的关系,推导出了其本构方程、松弛方程和蠕变方程,从理论上解决了锚固力变化与岩土体蠕变之间的计算关系。（2）通过耦合效应计算模型的蠕变方程,在材料参数已知的情况下,可以计算出边坡蠕变影响引起的锚索锚固力损失量,并结合实际工程中监测到的锚索应力数据进行对比分析,就能够准确地了解、评价锚索锚固力的异常变化情况,指导实际工程中的设计和施工,保证工程建设过程中的安全性。（3）通过耦合效应计算模型的松弛方程,可以对预应力锚索受力状态的监测数据进行分析整理,通过对锚索锚固力损失量的数据进行反分析,分析岩土体的蠕变参数,根据蠕变介质的材料特性,计算岩土体蠕变量,根据蠕变量判断预应力锚索锚固工程的安全性和可靠性,指导锚固工程的安全运行管理。     

恒载作用下轴对称圆巷围岩的流变变形方程求解

建立围岩-支护相互作用流变变形机制的数学力学模型是解决岩石地下工程支护问题的有效途径,其关键问题是,在围岩产生流变变形的过程中支护是如何对围岩进行作用的。根据基于Levy-Mises本构关系及D-P屈服准则的轴对称圆巷的理想弹塑性解、一维蠕变曲线的等时曲线相似的假设以及三维流变试验结果,推导出了原岩应力和被动支护反力均为恒载,且巷道围岩为三维应力状态下的蠕变方程及轴对称圆巷围岩的非线性黏弹塑性流变变形计算公式。与前人的工作相比,文中推导的公式中含有对围岩流变变形起决定作用的2个参数,即原岩应力 和岩石材料的单轴塑性屈服应力 ,因此公式推导的理论基础更加完备、可信度更高。     

扩大头锚杆的力学机制和计算方法

基于多个工程的实测数据,研究了扩大头锚杆的力学机制,指出其力学过程可分为3个阶段：第一阶段为静止土压力阶段;第二阶段为过渡阶段,其特征是位移曲线出现有一个拐点;第三阶段为塑性区压密-扩张阶段,其特征是随着土体的压密强化,扩大头的锚固力得到提高。文中给出了符合上述力学过程的多个实例。根据摩尔强度理论推导出了扩大头锚杆的抗拔力计算公式;分析了扩大头埋深、土体黏聚力、内摩擦角等因素对抗拔力的影响,指出了现行规范中计算方法的缺陷。给出了一个工程实例,采用文中的方法和现行规范中的方法分别进行计算对比,表明文中的方法计算结果以试验结果对比显著的合理,用于工程实践取得了良好的技术经济效果。     

考虑桩-岩接触面流变的桩岩联合受力性能研究

桩-岩接触面的性质对桩岩联合受力的状况有重要影响。大量的工程实践表明,桩-岩接触面存在显著的剪切流变现象。在前人研究的基础上,介绍了以位移协调法为基础的双曲传递函数迭代计算方法,并据此建立了一种可考虑桩-岩接触流变的桩岩联合受力迭代计算方法。与现场模型桩试验实测结果对比分析表明,双曲传递函数迭代计算方法能够较好地描述桩岩联合受力性能。当考虑了桩-岩接触面的剪切流变后,桩身各处轴力随时间的增长逐渐增加,直至趋于稳定,桩的轴力比不考虑流变时桩的轴力大。迭代计算结果与实测结果吻合较好,对桩岩联合受力性能的研究有一定参考价值。     

煤岩蠕变模型与破坏特征试验研究

在MTS岩石伺服试验机上对山东某矿3煤进行了短时流变试验,并对试验结果进行了分析。结果表明：该煤岩蠕变门槛系数为0.915、流变系数为0.383;煤岩流变破坏呈现空间不均匀性,整体以塑性破坏为主,但存在剪切主导破坏面;煤岩流变过程中有微破裂破坏即损伤存在,并且这种损伤在较低的应力水平就有所发生,大量微破坏的积累与贯通导致了煤岩试件破坏;煤岩蠕变过程中不仅存在损伤软化,而且存在蠕变硬化,蠕变的过程取决于这两种机制竞争的综合结果;可以用3次多项式经验蠕变模型较好地描述该煤岩的蠕变特性,西原模型可以较好地描述该煤岩的初始蠕变和等速蠕变阶段,但不能描述加速蠕变阶段。     

基于数值模拟的采动影响下覆岩裂隙演化过程分析

以平顶山东部矿区为工程背景,利用岩石真实破裂过程分析软件（RFPA2D）,模拟了采动影响下覆岩介质损伤的动态发展过程。数值模拟结果表明,采动裂隙的形成过程是一个复杂的演化过程,在加载初期覆岩介质损伤小,声发射现象不明显,应力和位移基本上无变化,无明显裂隙产生。随着加载步的增加,覆岩内部介质出现破裂,声发射次数、应力值和位移值不断增加,此时裂隙场处于孕育、不断积累并扩大阶段。当声发射次数、应力值、位移值都达到最大值时,裂隙经过萌生、扩展之后形成宏观裂隙,进而导致煤岩体由弹性状态转变为塑性状态,使覆岩大面积垮落。该数值模拟结果对平顶山东部矿区的开采具有巨大指导意义。     

预应力锚索损伤软化精细有限元模型

预应力锚索作为岩土工程的一种主要加固技术已得到日益广泛的应用,但现有的计算方法难以反映岩体、砂浆、钢绞线相互之间的滑移变形等实际情况,计算结果难以体现实际的加固效果。通过研究接触面的特性引入损伤软化概念,建立了包含钢绞线、砂浆、接触面的损伤软化精细有限元模型,并与现场试验进行了对比分析。该模型优点是精细地描述了钢绞线、砂浆和接触面等结构的力学行为,可以反映接触面力学材料损伤软化的过程,更加精确地反映了锚固段的力学变化过程。试验结果对比显示,两者随着荷载不断加大,锚固段接触面上的剪应力峰值由端口往里转移。当端口处于弹性阶段,峰值在端口,呈指数衰减模式;当端口处出现损伤软化,峰值往里转移。计算分析反映的锚固段应力变化规律与试验基本一致。     

基于小波函数的锚杆拉拔全过程分析

基于小波函数伸缩平移的特性,建立了能反映锚杆界面黏结?软化?滑动力学特性的剪应力?位移非线性本构模型,克服了三折线软化界面模型需要分段分析的复杂性。结合锚固体荷载传递的力学微分方程,推导了锚杆拉拔荷载?位移曲线的解析表达式,并提出了锚固体位移、轴力、周边剪应力的数值计算方法和步骤。通过算例分析,得到不同张拉位移作用下的锚固段位移、轴力和剪应力分布,获得的锚杆拉拔荷载?位移和锚杆轴向力分布计算值与实测值进行了对比分析,验证了该方法的有效性。该方法能准确地反映锚杆在不同荷载下的传力机制,模拟锚杆从弹性工作状态到塑性滑移的全过程。最后,通过参数分析,得到了锚杆锚固长度、轴向刚度以及锚固界面本构参数对锚固效果的影响规律。