孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,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,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

三维梁-颗粒模型在岩石材料破坏模拟中的应用

用三维梁-颗粒模型BPM3D(beam-particlemodelinthreedimensions)对岩石类非均质脆性材料的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁-颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。在模型中,材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质均按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石类材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行研究。岩石类非均质脆性材料在单轴压缩状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。通过数值模拟结果之间的对比分析,揭示出岩石试样宏观破坏模式随细观层次上韦伯分布参数的变化而不同。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石类非均质材料的破坏机理进行了探讨。     

单轴拉伸岩样破坏过程及尺寸效应数值模拟

由于从实验及理论角度研究岩样单轴拉伸条件下的破坏全过程及尺寸效应难度都很大。因此采用拉格朗日元法来研究这些问题。在峰值强度之前后,岩石材料的本构模型分别取为线弹性及拉破坏线性应变软化模型。为了使拉伸塑性区不出现在试样的端部,在试样的两侧面中部预制了2个凹槽。数值模拟结果表明,全程拉应力-拉应变曲线分为峰前和峰后阶段。在接近峰值的峰前阶段,由于两凹槽附近具有明显的拉应力集中现象,拉伸塑性区最先出现在两凹槽附近。随着轴向拉应变的增加,发生拉伸破坏的单元的数目增加,新发生拉伸破坏的单元越来越接近试样的中心,直到两块拉伸塑性区在应变软化阶段贯通。两凹槽连线上各单元拉应力的分布呈现3个阶段,“澡盆型”（“U型”）阶段,“双峰型”（“M型”）阶段及“单峰型”（“Π型”）阶段。“澡盆型”阶段对应于全程拉应力-拉应变曲线的弹性阶段。“双峰型”阶段及“单峰型”阶段对应于全程拉应力-拉应变曲线的非弹性阶段（包括峰值强度之前的一小段,即应变硬化阶段及峰后的应变软化阶段）。增加试样高度及降低试样宽度,拉应力-拉应变曲线的软化段变得越来越陡峭,因而试样越容易发生失稳破坏。由于试样宽度较大时,试样内部的单元并非处于单向拉应力状态,因此,增加试样宽度,全程拉应力-拉应变曲线的峰值强度增加。当试样宽度较小时,从出现塑性区,到塑性区贯通所需要的时间步较小,或应变范围较窄。这说明试样的脆性较强,前兆不明显。前兆不明显的脆性破坏对应常见的是洞室岩爆、冲击地压及地震等灾害。     

单轴压缩下岩石材料尺寸效应的数值模拟

考虑到岩石材料的非均质性,应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D,对端面有摩擦和无摩擦两种条件下同直径不同长度的岩样,进行了单轴压缩下的数值模拟研究,并对模拟结果寻求了试验验证。结果表明,岩石强度的长度效应是由于岩样端面摩擦效应所致,而并非根源于材料本身的非均质性。     

脆性岩石破坏数值模拟研究的两个问题

应用数值模拟方法,对脆性岩石单轴压缩情况下破坏规律进行了初步研究,主要讨论了脆性岩石的破坏机理、脆性岩石破坏数值模拟试验中的端部效应问题,并得出了一些初步的结论。在单轴压缩试验中,脆性岩石破坏过程主要以拉伸破坏为主。端部效应则是除了岩石试件本身所具有的材料非均匀性外影响岩石试件破坏形式的另一个重要因素。总体上存在这样的规律,即端部约束越大,岩石试件破坏型式越趋近于“X”型剪胀破坏,端部约束越小,则岩石试件破坏型式越趋近于张拉破坏。     

岩石单轴抗拉强度的几何形状效应研究

提出了一种模拟岩石破坏过程的细胞自动机模型,以力、位移作为基本状态变量,基于基本的力学规律构造了细胞自动机模型的矢量局部更新规则,克服了以往规则确定随意性以及标量化的缺点。利用该模型模拟了岩石的单轴破坏过程,研究了非均质性对单轴直接拉伸破坏过程的影响,并研究了几何形状（长宽比）对单轴拉伸强度的影响,研究结果加深了对岩石单轴抗拉强度的了解,对试验有一定的指导作用,应进一步加强岩石的直接拉伸试验研究。     

基于大直径霍普金森压杆数值试验的非均匀介质动态破坏过程分析

基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFPA2D代替大直径SHPB试验技术对非均匀介质的动态破坏过程和动态性能进行数值模拟,分析了加载波形和介质的非均匀性对数值试样的动态性能,如应力-时间曲线、应变-时间曲线、应力-应变曲线和应变率-时间曲线的影响。分析表明,大直径SHPB弥散效应对试验结果的影响较大,选择合适的加载波形可以减小SHPB装置中应力波的弥散效应,得到较准确的试验结果,其中三角形波加载可以有效降低大直径SHPB动态测试中的应力波弥散,是岩石等非均匀材料SHPB动态测试的较理想加载波形;在相同加载条件下,岩石的非均匀性对波的弥散效应影响不大,但非均匀岩石的试验曲线比均匀岩石的曲线在波峰后都出现较大的振荡,这主要是由于不同均质度的岩石其单元具有不同的破坏分布造成的,不是波形弥散造成的。     

岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟

地下水是导致地质灾害发生的重要因素之一。岩体本身的复杂性及地下水在岩体内随时间而变化造成地下水在岩体内运动机理的复杂性。文章采用数值模拟方法探索地下水在岩体内的运动规律,了解其致灾机理。以岩体结构力学为基础,运用现代分形理论,建立主干裂隙分形网络;根据裂隙发育规模与工程尺度关系将岩体看作拟连续介质与块裂介质混合介质,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立合理的三维非稳定渗流模型;给出渗流模型的有限元解法,开发出相应的有限元软件;给出算例,计算结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用及网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应;强调根据裂隙发育规模与工程尺度关系确定合理渗流模型的重要性。     

岩石破裂过程TMD耦合数值模型研究

从岩石的细观结构层次出发,应用损伤力学和热弹性理论,对热力耦合作用下岩石破裂过程中热-应力-损伤相互作用关系进行了分析。初步建立了细观热-应力-损伤（TMD model,thermal-mechanical-damage）耦合数值模型,并在岩石破裂过程分析系统RFPA2D中加实现。运用该数值模型计算模拟均匀与非均匀材料试样在热力耦合作用下的应力分布及破坏形 态,通过与理论及试验结果对比,证明了该数值模型的合理性和有效性。     

土钉墙空间效应和平滑破坏模式的三维分析

在实际工程中,土钉墙稳定性评估一般采用转动破坏模式,且不考虑其空间效应对设计方案的影响,其结果是有时得到的结论与实际状况不相符合.本文采用三维极限分析方法,对土钉墙空间效应和平滑破坏两个方面的问题进行了讨论,并结合一实际工程,对它们进行了分析,得到一些初步结论,以期对实际工程有一定的参考价值.     

渗流影响下岩石损伤和渐进破裂演化过程的数值试验研究

在FLAC-3D软件平台上,开发出岩石破裂过程的渗流-损伤耦合分析程序,对渗流-损伤耦合作用下岩石的裂纹萌生、扩展过程进行模拟研究。分析了在孔隙水压力作用下,含原生裂隙和弱化单元的非均质试件在单轴、三轴加载下的破坏过程,并与非渗流条件下试件在单轴、三轴压缩下的破坏过程相对比,通过动态显示损伤状态、渗流场,并分析应力应变关系、位移图等,对渗流影响下裂隙岩体的损伤和渐进破裂过程进行了研究。     

一种岩石统计损伤本构模型的研究

基于岩石的非均质性,假设岩石微元粘聚力服从Weibull分布,微元破坏后其粘聚力降为0,结合统计理论和岩石剪切面上剪力平衡方程,建立了岩石发生剪切破坏时的损伤演化方程。该损伤演化方程考虑了破坏微元的抗压和抗剪能力,能够反映岩石峰后强度逐步丧失过程和残余强度。将该模型编入有限元程序,数值计算了不同围压下岩石应力-应变全过程曲线,与试验曲线比较取得了很好的一致性。     

均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟

采用模型试验与离散元模拟的方法,对均质岩体中隧道开挖后围岩的变形破坏过程进行了研究,并对围岩变形破坏过程中围岩应力及地表位移的变化规律进行了分析,模型试验结果与数值模拟结果取得了较好的一致性。研究结果表明：隧道开挖后,拱顶处围岩变形明显并出现裂缝,围岩破坏从拱顶开始,进而呈渐进式向上发展,最终形成稳定的塌落拱;开挖后,隧道围岩径向应力减小,隧道周边一定范围内围岩切向应力减小,且随隧道变形破坏的发展,围岩切向应力减小的区域逐渐扩大;隧道塌方后,拱底垂直应力增加,开挖结束至塌方开始期间地表位移增量最大,塌方期间地表位移增量最小。     

岩石中三维双裂隙组扩展和贯通过程的试验研究和弹脆性模拟

最新研制了一种完全透明、较低温度下拉压比可达1/6.6的树脂,其与岩石特性的相似性较前人的研究有大幅度提高。制作了一组含三维内置平行双裂隙组的试件,详细描述并分析了单轴加载下试件的裂隙扩展与贯通过程,研究其产生的条件和机制。试验结果表明：试件的破坏大致经历4个阶段,三维裂隙组的断裂比二维情况复杂得多,产生了多种不同形态的裂纹。在FLAC3D软件框架内建立了一种新的弹脆性本构关系,并采用超细单元和合理形态的网格建模。将数值模拟结果与相关试验进行对比,相符程度良好,表明新数值模拟方法的有效性。当双轴加载时,模拟结果也与前人类似试验结果有很好一致性。     

地基土沉降对复合地基影响的三维数值模拟

通过对复合地基在正常使用条件下和地基土沉降后的三维数值模拟,研究了复合地基由地下水位下降引起的地基土沉陷后的沉降、桩体摩阻力分布和桩身轴力分布的变化。分析表明：随着地基土沉降的增加,加固桩体和基础的沉降加大,中性点位置逐渐下降,桩身轴力有所增大;在加强桩中,中心桩的中性点最低,边桩次之,角桩最高;随着地基土沉降的增加,各桩中性点位置差异逐渐减小,桩体上部负摩阻力作用的桩身长度更长,负摩阻力值逐渐增大。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的RFPA2D数值模拟软件,用2种不同的岩石材料来组成7个不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件,通过单轴加载数值模拟试验,模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程,分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系,讨论了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式及其破坏准则。     

岩石变形破坏的熵突变过程与破坏判据

在岩石的变形破坏过程中,当进入不稳定的破裂发展阶段之后,系统不断调整结构抵抗外力的扰动,裂纹向局域集中的有序方向发展,应变能不断耗散,并以应变能的耗散为媒介,使系统与外扰动所追加的负熵流产生能量流通,也使系统熵值和系统的维数逐次降低,这一阶段岩石系统远离平衡态,岩石的破坏是系统熵的突变过程。基于这一认识,并在验证应变能分布与结构块度分布模式的一致性的基础上,推导出包含了结构因素和能量分布的熵表达式;对熵表达式进行平衡分析获得局部突变的分岔集,得到了岩石局部破坏的熵折迭突变破坏准则;同时,探讨了熵表达式所表征的结构有序度的尖点突变性,解出岩石系统的分岔集,这个分岔集就是岩石系统熵突变的整体破坏准则。