工程岩体物理模拟研究中实验材料的选择与应用

工程岩体物理模拟实验是岩体工程问题研究的重要方法,其中物理模型材料的选择对于实验成功与否至关重要。为了提高岩体物理模拟的选材效率及实验准确性,在总结前人大量工程岩体（边坡工程、地下工程和地基工程）物理模拟研究进展的基础上,对不同类型的物理模拟模型材料应用情况进行综合分析。结果表明：传统相似材料模拟软岩骨料最常用的是河砂和石英砂,模拟硬岩骨料则是在河砂和石英砂的基础上进一步掺入重晶石粉用以调节级配及强度,胶结剂通常都是水泥、石膏或者两者混合的复合材料;新型相似材料的选用更多是根据所需解决的问题进行设计,常采用铁粉、熔融石英砂及陶瓷等作为骨料,高分子聚合物、酒精和松香等作为胶结剂。整体而言物理模拟实验材料的骨料粒径越大,强度也越大,但是相似模拟中不能使用粒径过大的骨料;材料的强度随着砂胶比的增大而减小。研究不同工程对象时还需根据其自身特点进行实验设计,在研究显著节理裂隙等对岩体破坏机制的影响时,需掺加煤粉、云母碎、珍珠岩以及发泡剂等辅助材料,以控制试样的节理、微裂隙、结构面和孔洞等。笔者等对工程岩体物理模拟实验材料的分析综述可为相关工程岩体物理模拟研究提供实验参考。     

工程岩体物理模拟研究中实验材料的选择与应用

工程岩体物理模拟实验是岩体工程问题研究的重要方法,其中物理模型材料的选择对于实验成功与否至关重要。为了提高岩体物理模拟的选材效率及实验准确性,在总结前人大量工程岩体(边坡工程、地下工程和地基工程)物理模拟研究进展的基础上,对不同类型的物理模拟模型材料应用情况进行综合分析。结果表明：传统相似材料模拟软岩骨料最常用的是河砂和石英砂,模拟硬岩骨料则是在河砂和石英砂的基础上进一步掺入重晶石粉用以调节级配及强度,胶结剂通常都是水泥、石膏或者两者混合的复合材料;新型相似材料的选用更多是根据所需解决的问题进行设计,常采用铁粉、熔融石英砂及陶瓷等作为骨料,高分子聚合物、酒精和松香等作为胶结剂。整体而言物理模拟实验材料的骨料粒径越大,强度也越大,但是相似模拟中不能使用粒径过大的骨料;材料的强度随着砂胶比的增大而减小。研究不同工程对象时还需根据其自身特点进行实验设计,在研究显著节理裂隙等对岩体破坏机制的影响时,需掺加煤粉、云母碎、珍珠岩以及发泡剂等辅助材料,以控制试样的节理、微裂隙、结构面和孔洞等。笔者等对工程岩体物理模拟实验材料的分析综述可为相关工程岩体物理模拟研究提供实验参考。     

基于加密物理片的数值流形法中局部网格加密

数值流形法的数学网格不需要适应求解域内各种不连续界面和边界,因此,总可以用规则的结构化网格建立数学覆盖。但对于大多数问题,在整个求解域上布置统一密度的网格显得浪费。因此,需要研究在结构化网格上实施局部加密,建立了加密物理片的方法用以解决这一问题。具体的实施过程中,确定了需要加密的区域后,先在这些区域布置规则的精细网格,然后找到这些区域中包含的原始网格中的物理片,用精细网格上建立的插值代替被加密物理片上的局部近似,从而提高了局部近似的阶次。数值算例结果表明,该方法收敛性良好。另外,如果所有物理片上的局部近似都采用0阶多项式(常数),那么将会得到正定的刚度矩阵。     

三维数值流形法覆盖系统生成算法研究

覆盖系统生成效率低是当前制约三维数值流形法在大型实际工程中应用的瓶颈问题。通过改进三维覆盖系统的生成算法,提出了改进的布尔交运算生成三维覆盖系统的算法,并采用C++语言编写了相应的程序。根据数学网格与物理域的拓扑几何关系,确定采用传统布尔交运算还是由数学网格直接生成流形块体,并对生成的流形块体进行三维块体有效性检查,满足要求后即可生成新的三维流形单元,进而生成所有前处理三维覆盖系统。选取两个简单算例和一个边坡工程问题来说明所提方法的可行性和计算程序的正确性,并通过对比分析说明方法的计算效率。计算结果表明,改进的布尔交运算比传统布尔交运算更高效;随着网格密度的增加,生成一个单元的平均耗时逐渐减少;随着物理域边界复杂程度增加,所提方法计算效率逐渐降低。为今后采用数值流形法进行结构分析奠定基础,具有较强的实际应用价值。     

岩体渗流分析的无网格方法

岩体的渗透破坏、岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。但由于岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的广泛应用。应用无网格方法来求解岩体的渗流问题,通过变分原理详细推导无网格方法求解岩体渗流的离散方程及相关的计算公式,并利用有限元耦合方法对边界条件进行了处理。通过两个数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

三维地震观测系统满覆盖边界的讨论

针对采用综合平面图法设计的三维束状观测系统成果中满覆盖次数边界与绿山(MESA)软件设计结果存在差别的问题,从面元及覆盖次数的概念出发,将面元细分为纵向面元尺寸和横向面元尺寸,通过对纵向观测系统和横向观测系统具体分析,指出上述两种设计手段存在差别的原因,找出了对综合平面图法设计成果中满覆盖次数边界进行修正的方法。     

剪胀对复杂裂隙岩体渗透性影响的离散元分析

裂隙岩体流固耦合问题是目前国内外研究热点之一,采用离散元软件UDEC对裂隙岩体发生节理剪胀的渗透性变化规律进行了模拟分析。基于现场调查的裂隙信息统计生成裂隙网络岩体模型。 通过固定垂直应力、不断增加应力比RS(RS=水平应力/垂直应力)使岩体出现剪胀,采用库伦滑移节理模式对岩体在剪胀过程中的渗透性变化情况进行模拟。结果发现：当应力比较小(RS3.1)时,节理水力隙宽、流速、渗透系数等参数都随着应力比的增加表现出明显的降低; 而当岩体出现剪胀现象之后(应力比大于3.1),发生剪切滑移和剪胀现象的节理控制着裂隙岩体的总体渗流行为,与不考虑节理剪胀的计算结果相比,岩体渗透能力出现了显著增长。这一结果表明,剪胀对裂隙岩体渗透性的影响是显著而不可忽视的。     

破碎岩体压实特性的三维离散元数值计算方法研究

研究破碎岩体的压实特性是矿井地下工程的基础工作之一,由于破碎岩体所处环境的隐蔽性与危险性,常采用实验室测试和数值计算的研究方法。提出了一种三维破碎岩体模型构建方法,即在3D Voronoi建立完整岩体数值模型的基础上,通过预定孔隙率,随机删除完整岩体中的块体反演破碎岩体结构,测定破碎岩体的压实特性。该方法可较真实地反映破碎岩体的块度特征、碎胀特性与压实特性,与现有研究方法有较高的吻合度,为矿山地下工程的安全控制提供了新的有效的研究方法。     

考虑环境劣化非贯通节理岩体的直剪试验离散元模拟

非贯通节理岩体的强度特性是大型边坡、隧道等工程安全性的重要影响因素。随着酸雨、河流污染等对岩石环境劣化程度的加剧,考虑环境劣化因素对非贯通节理岩体强度的影响很有必要。采用离散元法,基于已有的胶结接触模型,将岩体因环境作用而劣化等效为岩石试样质量损失不断加剧的过程,最后等效为颗粒和颗粒之间的物质不断溶蚀的过程,由此建立考虑环境劣化的微观接触模型并将其植入离散元软件中,模拟分析了不同环境劣化程度的非贯通节理岩体在不同连通率和不同法向应力下的直剪试验。结果表明:不同环境劣化程度非贯通节理岩体剪切应力-位移曲线趋势一致;随环境劣化程度的加深,节理岩体的破坏形式以拉裂纹为主转变为以剪切裂纹为主;环境劣化使得节理岩体直剪试验起裂应力降低,且环境劣化程度的加深会导致非贯通节理岩体的凝聚力降低及内摩擦角减小,表现为峰值剪切强度降低。     

强地震动作用下层状岩体破坏的物理模拟研究

岩体地震动力破坏现象是常见但研究较少的复杂课题。利用物理模拟试验,研究了层状岩体边坡在强地震动作用下的变形破坏问题。按结构面走向平行和垂直地震动方向,对不同岩体结构特征的模型施加不同的幅值和频率的水平向地震动荷载,进行岩体的振动破坏试验。结果表明,结构面空间展布方向与地震动荷载的相互关系不同、结构面软弱程度不同,岩体变形破坏的形式和分布特征也不相同。岩体的动力破坏主要是岩体结构的破坏,即岩体结构的宏观破坏和微观损伤,岩体结构特征是控制其动力变形破坏的主要因素。极大的不均匀性是岩体动力破坏的显著特点,这与大量极震区岩体破坏的现象类似。但岩体动力破坏模式的建立和定量的力学分析还需更多研究。     

数值流形方法中覆盖函数选用的建议

在数值流形方法中,常用的覆盖函数基并非是最佳选择。循着刚度矩阵的形成过程,分析了选用常用覆盖函数时,在非对角元上出现绝对值很大的元素之成因,且发现这会增加刚度矩阵的条件数,尤其是在用刚性弹簧约束位移的情况下,而这在数值流形方法中普遍而基本。建议采用局部化较好的覆盖函数,取代常用的关联于全局坐标的覆盖函数,可显著消除这一情况。建议方式简单明了,程序改动极小,对改善刚度矩阵性态却有很大作用。算例验证了这一建议的合理性,通过比较局部化的覆盖函数及全局性的覆盖函数所形成的刚度矩阵,表明前者形成了较小条件数的刚度矩阵。     

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。     

Investigation on strength and stability of jointed rock mass using three‐dimensional numerical manifold method

This paper proposes a numerical model for jointed rock masses within the 3‐D numerical manifold method (NMM) framework equipped with a customized contact algorithm. The strength of rock sample containing a few sets of discontinuities is first investigated. The results of models with simple geometries are compared with the available analytical solutions to verify the developed computer code, whereas models with complex geometries are simulated to better understand the fundamental behavior and failure mechanism of jointed rock mass. Furthermore, the stability of jointed rock mass in an underground excavation is studied, where rock failure process is determined by the 3‐D NMM simulation. The simulation results provide valuable guidance on excavation process design and stabilization design in rock engineering practice. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

岩体黏弹性蠕变计算的高阶数值流形法研究

数值流形法（numerical manifold method）是一种新型的数值计算方法,已成功应用于岩土工程的诸多领域,但该方法尚未应用于岩土工程蠕变分析。近年来对高阶流形法的研究表明,对复杂的岩土工程问题,使用高阶覆盖函数可明显提高流形法的计算精度。为此,开展了用高阶流形法模拟蠕变的研究,在高阶流形法中引入“时步-初应变”法计算蠕变,以广义开尔文体为基础,推导了相关的计算公式,并编制了相应的计算程序,同时还通过算例,验证了方法的可行性和合理性。结果表明,高阶流形可以方便地与“时步-初应变”法结合用于蠕变计算,可较好地模拟蠕变变形。算例分析表明,在不改变网格密度情况下,仅通过采用高阶覆盖函数,高阶流形法可大幅提高传统流形法的计算精度。     

开挖模拟在数值流形方法中的实现

针对数值流形方法特有的覆盖剖分方式,提出了一种模拟岩土工程中开挖过程的算法。该算法采取某种措施,在覆盖剖分过程中将开挖面视为特殊的不连续面,这种不连续面将其所在的数学网格剖分成不同的流形单元,但却不对所在的数学覆盖作剖分。这样,开挖面两侧虽分属不同的流形单元,但开挖面两侧同一数学网格内的流形单元却具有相同的物理覆盖。采用该算法,无需对开挖面处的单元进行特殊处理,可在整个分析域采用统一的网格形式;同时,打破了原有数值流形方法的限制,将开挖面的位置完全当作连续介质来处理,避免了因将其视为不连续面而产生的误差。验证了算法的可靠性后,将其应用于某假想隧道的开挖模拟,计算结果表明该算法具有一定的应用前景。     

三维数值流形法在裂纹扩展中的应用研究

运用三维数值流形法（3D NMM）进行三维裂纹扩展分析,并采用C++语言编写了相应的程序。充分利用三维数值流形法模拟裂纹扩展的优势,只需要更新裂纹尖端线附近的边界环路和流形单元,不需要使用阶跃函数。根据三维数值流形法计算得到的应力结果,应用非局部求迹方法分析每个裂纹尖端的破坏状态,如果发生破坏则沿垂直于其最大主应力方向扩展。针对裂纹扩展后的不同状况,采用四边形或三角形推进法。裂纹扩展后为了使变形后的面保持平面,必须对新生成的面进行三角化分割。对诸如单边裂纹、平行钱币型裂纹和倾斜钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟。计算结果表明,采用三维数值流形法进行裂纹扩展模拟是可行的,文中方法对裂纹尖端线非闭合和闭合的情形均适用,且文中方法对于裂纹尖端线位于单元内部的非平面裂纹扩展也是有效的。     

全长黏结锚杆的数值流形方法模型

基于流形方法的有限覆盖技术,确定流形元覆盖系统下锚杆的位移函数,由此建立全长粘结锚杆的数值流形方法模型,定义了锚杆流形单元,并推导了锚杆流形单元的数值计算格式。该模型符合全粘结的物理意义,是一种局部解析的锚杆数值方法,具有较高的精度。同时锚杆与数学覆盖相对独立,只要求锚杆完全处于数学网格的覆盖之中,对其相对位置没有要求,所以一般网格可以适应锚杆的复杂布置。该模型可以应用于岩土锚杆模拟及钢筋与混凝土共同作用分析等问题。     

基于数值流形法的重力坝多裂纹扩展研究

传统数值流形法（NMM）在处理非连续变形问题时,仅限于几何构型不发生破坏的情况。针对这一不足,通过在裂纹尖端附近的物理片上增加用于模拟应力奇异性的增强位移函数,进一步发展了可用于几何构型破坏的扩展的高阶NMM。然后,将其应用到重力坝由连续到非连续的破坏过程分析中。首先,针对一含单裂纹的重力坝模型进行了敏感性分析,结果表明,在不同的扩展长度或网格密度下,其扩展路径基本相同且与文献结果保持一致。进而在此模型基础上又开展了多裂纹扩展分析,结果仅一条主导裂纹发生扩展,与文献结果基本一致。最后,针对印度的Koyna重力坝,通过设置不同的漫顶高度研究了其裂纹扩展路径的变化。结果表明,随着漫顶高度的增大,裂纹扩展路径逐渐趋向于水平方向扩展,而且坝体抵抗破坏的能力逐渐减弱。总体表明,NMM在求解实际工程问题时具有很好的数值稳定性和鲁棒性。     

Modeling progressive failures in rock slopes with non‐persistent joints using the numerical manifold method

Rock slope failure is a complex process that usually involves both opening/sliding along pre‐existing discontinuities as well as fracturing of intact rock bridges. Discontinuity persistence is an important factor governing rock slope instabilities. However, traditional slope failure analysis assumes persistent discontinuities, and rock slope fails along a predefined persistent continuous potential failure surface because of the limitations of the analysis tools. This paper proposes the numerical manifold method (NMM) incorporated with a Mohr–Coulomb criterion‐based fracturing algorithm to simulate the progressive failure of rock slopes with non‐persistent joints. Detailed fracturing algorithm is first presented. Then, the NMM enabling fracturing is calibrated through simulating an edge‐cracked plate and the Brazilian test. Lastly, the developed code is applied to investigate the failure process of rock slopes involving non‐persistent joints. Numerical results indicate that the proposed method can capture the opening/sliding along existing discontinuities, the fracturing in intact rock bridges and the final kinematic release. Progressive slope failure is well exhibited. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维数值流形法块体切割技术研究

运用布尔碎片运算实现了简单的三维块体切割功能,形成覆盖整个求解域的六面体网格,再将六面体单元拆分生成48个四面体单元,从而生成四面体数学覆盖。运用布尔交运算将四面体单元与求解域求交集得到流形块体,再根据三维拓扑有向性原理和三维单纯形积分理论,形成了有向边、有向环、有向面和有向壳4种有向几何数据结构,用来构造生成封闭的有向三维流形单元。定义了有向流形单元的连通内面对和连通的有向流形单元的概念,利用有向流形单元的连通内面对搜索生成物理覆盖体系。概括总结了基于修正对称和反对称分解的三维数值流形元法的求解计算要点,在不考虑三维接触、三维裂纹尖端奇异场和三维裂纹扩展的假设下,模拟了三维节理面的有限塑性变形张拉过程,得到了比较合理的数值模拟结果,验证了前处理和计算求解算法的正确性。