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Determining anisotropic deformation surrounding underground excavations for tunnels is an intuitional task that involves many difficulties due to the inherent anisotropies in the strength and deformability of natural rocks. This study investigates joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel via a numerical simulation that accounts for the mechanical behavior of intact rock, the orientations of joint sets, and the mechanical behavior of joint planes; this numerical simulation can model the complete stress–strain relationship with anisotropic rock mass characteristics. Simulation results demonstrate that the well-known excavation-induced stress variation–decrease in the radial component and increase in the tangential component–decrease shear strength and increase shear stress for the joint plane tangential to the tunnel wall, resulting in joint sliding failure and considerable shear deformation. This joint sliding failure and significant shear deformation account for the joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel. When a rock mass has two joint sets with unfavorable joint orientations, the area with joint sliding failure can deteriorate mutually, resulting in large anisotropic deformation. Additionally, for a rock mass containing three joint sets with well-distributed orientations, joint sliding in various joint sets and associated stress variations can counter balance each other, resulting in less anisotropic deformation than those of rock masses containing one or two joint sets. 相似文献
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深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,将块系岩体振动简化为等效质量-黏弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明：水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小黏性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。 相似文献
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法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。 相似文献
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Pierpaolo Oreste Giovanni Spagnoli Cesar Alejandro Luna Ramos Lisa Sebille 《Geotechnical and Geological Engineering》2018,36(4):2143-2169
Hyperstatic Reaction Method considers the interaction between the shotcrete lining and the rock mass modelling half tunnel section by beam elements connected by nodes, which can develop bending moments, axial forces and shear forces. The interaction between ground and support is represented by Winkler type springs in the nodes of the numerical model, in the normal and tangential direction. 1944 analyses were developed considering three different tunnel radius values (2.0, 4.5 and 7.0 m), three different rock types (RMR = 40, RMR = 60 and RMR = 80), three different stress ratios acting on the linings (\(K = 1, \,K = 0.5\) and \(K = 0\)), three different lining thickness values (0.1, 0.2 and 0.3 m) and three values of the average elastic modulus of the shotcrete (6000, 9000 and 12,000 MPa). Besides, also two different stiffness values of the tangential springs at nodes were considered. Results show that the lining thickness and the elastic modulus of the shotcrete have a strong influence on the bending moment values which develop inside. The maximum axial force is not practically influenced by the lining elastic modulus and thickness. Both maximum bending moments and maximum axial forces increase in a linear way with the vertical load value; tunnel radius, \(K\) and RMR values of the rock mass have also a great influence on the maximum bending moment and axial force. Besides, it is possible to note how the absence of shear interaction between the lining and the rock mass causes bending moment values in the lining higher with respect to the case where the stiffness of the tangential springs at nodes equals to half the stiffness of the normal springs. For this reason, the neglectance of the shear interaction between the lining and the tunnel wall leads to an overdesign of the SC lining. 相似文献
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锚杆锚固段界面剪应力分布规律是锚杆设计研究的重点,直接影响锚固效果。锚固段界面上的剪应力会引起界面附近的岩土体较大的应变梯度,而用经典弹性理论分析锚固段剪应力时没有考虑应变梯度。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑弯曲效应对介质变形特性的影响,基于该理论建立平面应变问题的有限元计算模型,研究拉力型锚杆锚固段界面上的剪应力分布、界面附近的边界层效应和偶应力的尺度效应,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行比较。结果表明,在偶应力理论下,拉力型锚杆锚固段界面的剪应力和剪应变有所减小,特别是峰值处的剪应力减少明显;界面处的剪应力不再连续;界面附近的剪应变突变有所改善,出现一个过渡区域。特征长度减小,过渡区域变小,应变梯度增大,第二剪切模量对剪应力分布的影响不明显。 相似文献
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在土石坝工程中越来越重视岸坡与坝料之间的接触特性,将土体本构模型中使用较多的双曲线型硬化规律运用至接触面模型,提出了一个简洁的接触面本构模型,推导了接触面模型刚度矩阵表达式。通过对4组试验的预测结果与试验结果的对比,表明该模型可以较好地预测粗粒料的界面剪切试验。将提出的接触面模型嵌入有限元程序,应用于如美心墙坝河谷与坝料的接触分析。三维有限元计算结果表明：坝体两侧岸坡的剪切位移变化规律都是中间部分剪切滑移量较大,岸坡边缘部分相对较小,陡坡一侧最大滑移量大于较缓一侧。这些均符合粗粒料滑移的基本规律,可为岸坡?坝料接触特性研究以及土石坝工程计算提供参考。 相似文献
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Summary Direct shear tests were conducted on a granite to granite interface for the purpose of tracing the evolution of frictional resistance as the initially smooth and polished surface wears during continuing shearing displacement. At the moment when sliding on the freshly manufactured interface starts (first slip), the friction angle is very low, between 15° and 20°, but then it increases with displacement rapidly without reaching a peak in the first test (maximum displacement less than 25 mm). Upon repeated shearing of the same surface (without re-finishing), this process of displacement-strengthening continues until a total accumulated displacement of about one half of one meter is reached. At this point, the angle of friction would typically be between 42° and 44°.Once the residual surface was established, the effect of time-related parameters, the duration of stationary contact under constant normal and shear load and variable displacement rate, were investigated. The frictional resistance is shown to increase with decreasing displacement rate and to increase with the duration of stationary contact.At a normal load greater than about one half of one MPa, shear displacement on a residual surface proceeds in an unstable, stick-slip manner. The change from stable to unstable sliding, that can be effected by either decreasing the sliding velocity or increasing the normal load, is not instantaneous, but occurs over a finite amount of displacement. 相似文献
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对于涉及需要单独考虑岩体结构面的工程岩体结构分析,采用能反映岩体结构面主要力学特性的合理的本构模型是取得合理解答的关键问题之一。针对在经典连续介质力学理论框架内建立岩体结构面本构模型的缺点,基于岩体结构面的实际受力变形特性,采用直接法建立了一种新型岩体结构面本构模型。所建立的模型依据岩体结构面切向应力变形曲线及剪胀曲线的实际特征,将其分为峰前线性段、峰前非线性段以及峰后软化段,并分别给出了用于描述岩体结构面变形和强度等主要力学特性的数学模型,进而推导建立了结构面各变形阶段的增量型本构模型。最后,编写相关计算程序,采用所建立的新型本构模型以及被广泛采用的Plesha模型对经典的岩体结构面直剪试验成果进行拟合分析。结果表明,所建立的新型本构模型能更为合理的描述岩体结构面的主要力学特性,且模拟能力优于Plesha模型 相似文献
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进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。 相似文献
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平面应变状态下岩石剪切带网络数值模拟研究 总被引：9，自引：3，他引：6
研究了围压、端面约束、试件高度及界面特性对剪切带网络形成的影响。首先对影响剪切带网络形成的因素（包括试件高度、围压及温度、试件端部轴向应变大小的计算方法的差异）进行了分析。之后采用FLAC 3D对平面剪切带网络进行了数值模拟,其中摩擦角及内聚力为应变软化。探讨了倾向于出现剪切带网络的若干条件。若端面缚束较强且存在一定的侧压力,试件中部出现多重剪切带。若端面缚束较弱,试件端部易于形成剪切带网络,且随试件高度的增加剪切带条数增加。界面法向和切向刚度越大,剪切带穿越断层并按其固有方向延伸能力越强,剪切带网络格局越明显。获得的数值结果可在实验中找到佐证,并且可以用来解释地震中的一些剪切应变局部化现象。 相似文献
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运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。 相似文献
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在岩体边坡稳定性分析方法中,基于非线性Hoek-Brown准则的强度折减法,存在折减方案不统一或计算太复杂等问题。针对这一问题,提出了一种基于岩体抗压强度的广义Hoek-Brown准则强度折减法,比直接折减材料参数,更能体现强度衰减的物理意义。方案以岩体单轴抗压强度作为折减依据,对岩石单轴抗压强度sci和反映岩体结构特征的参数组合sa（s、a 均为模型参数）进行同比折减,分析该方案下抗剪切强度和抗拉强度的折减比例,并基于平均抗剪强度定义安全系数。应用该方案,对两个经典边坡算例进行稳定性分析,将所得安全系数、临界滑动面与局部线性化强度折减法、极限平衡法进行对比。结果表明,对于两算例,本方法所得安全系数与其他两种方法结果接近,相对误差低于2%;在算例1中,本方法得到的临界滑动面位置与其他两种方法结果一致性很高;在算例2中,本方案滑动面位置更接近于局部线性化法,且能同时反映剪切和拉伸破坏。以上结果验证了本强度折减方案和安全系数定义法的可靠性和合理性。 相似文献
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应变软化扩容对含随机缺陷岩石的渐进变形及破坏前兆特征的影响 总被引：3，自引：3，他引：0
在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了剪切扩容对含随机缺陷岩石破坏前兆及变形特征的影响。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则, 破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。随着轴向应变的增加, 试样内部破坏的单元数目增加, 直到达到一个常数, 该常数随着扩容角的增加而增加。当扩容角较高时, 计算得到的泊松比在峰前就可以超过0.5;剪切扩容于峰前发生; 变形后试样的最终体积大于初始体积。剪切局部化(导致了毗邻块体之间的相对滑动)及剪切扩容(发生于剪切带内部)是非零扩容角试样峰后体积膨胀的原因。在峰前, 通过观察剪切应变增量、破坏的单元数目、侧向应变、计算得到的泊松比及体积应变可以发现, 扩容角越高, 试样破坏的前兆越明显。在低扩容角时, 由于弯曲的剪切带边界, 试样内部充分发展的剪切带的倾角比较分散, 剪切带的倾角更接近Arthur理论。 相似文献
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运用80 t大型三维接触面试验机,对初始静剪应力存在时粗粒土与结构接触面循环力学特性及初始静剪应力大小的影响进行了研究。循环剪切时,接触面沿初始静剪应力方向产生了明显的切向位移,且该位移与正交切向的剪切路程基本呈直线关系,该直线与初始静剪应力的夹角和初始静剪应力水平关系可用二次多项式描述。初始静剪应力大小对接触面抗剪强度、正交切向应力-应变关系形式影响较小,主要影响正交切向应力峰值、接触面剪切体变数值及剪切体变与切向位移关系等。初始静剪应力越大,该方向产生的切向位移越大,其正交切向应力峰值越小,该应力峰值对应的切向位移亦越小,接触面剪切硬化程度越高;初始剪切时接触面剪胀量越大,而后期循环剪切时剪缩量和剪胀量则越小。 相似文献
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为研究水力压裂裂缝在煤层与顶板界面处的穿层扩展规律，在分析煤岩界面性质的基础上，应用有限元法研究煤岩界面处裂缝从顶板起裂后的延伸情况，探讨了相关地质参数和施工参数对裂缝跨界面穿层扩展的影响。结果表明:地质因素中的地应力、煤岩界面强度为煤岩界面处裂缝能否穿层扩展的主要影响因素，垂向应力差异系数越大、界面抗剪切强度越大，越有利于裂缝穿层扩展沟通煤层；煤层与顶板间的弹性模量差异、抗拉强度差异是裂缝从顶板穿层进入煤层的有利因素；现场压裂施工应根据地层情况选择合适的施工参数（排量、注入点与界面的距离）以促进裂缝穿层扩展。研究成果能够为煤层顶板分段压裂水平井地面煤层气高效抽采技术的应用提供参考。 相似文献
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针对三轴压缩试验中含夹层盐岩特殊的破坏形式和机制开展研究。基于夹层单元的受力平衡和界面剪应力的传递机制,建立了夹层径向位移的微分方程,通过求解该微分方程得到了界面剪应力、夹层应力和应变的理论公式,并采用数值模拟验证了应力公式的准确性,进而结合多种破坏准则分析了含夹层盐岩的两种破坏形式及其机制。结果表明：界面剪应力和夹层应力分布不均匀,其最大值一般分别在边缘和中心位置出现;对于试样中夹层纵向劈裂,计算显示夹层存在横向的拉应力或拉应变;在一些试样界面边缘发现了环状白色裂纹,这是由于界面边缘剪应力最大,该处容易发生界面滑移破坏。夹层和界面的破坏会导致含夹层盐岩的密闭性降低,研究成果可在这一方面提供参考。 相似文献
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西北黄土高原第四系黄土广泛沉积于新近系三趾马红土之上形成粗糙接触的异质土界面,为典型的易滑层面。为探讨接触界面粗糙度对黄土-三趾马红土界面剪切力学特性影响,研制界面制样装置及剪切仪,开展简化黄土-三趾马红土界面直剪试验研究。结果表明:界面剪切破坏模式有齿间滑动、齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断3种,界面接触角度越大,破坏模式越趋于齿面剪断,接触角度越小,破坏模式越趋于齿间滑动;界面剪切应力-剪切位移曲线演化规律表明界面脆性剪切破坏特征明显,且界面接触角度越大,峰值前剪切刚度与剪切破坏位移越大,峰值后剪切位移“跳跃”跌落现象越明显,界面脆性剪断破坏特征越显著;界面剪切过程产生明显剪胀效应,随界面接触角度增大,峰值剪胀角呈先减小而后增大趋势,反映了界面不同剪切破坏模式变化;受界面间初始黏聚强度与剪切破坏模式影响,界面抗剪强度随法向应力呈非线性变化,并受界面接触角度影响,峰值强度随界面角度增大呈先增大而后减小趋势,残余强度随界面角度增大呈增大趋势。 相似文献
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二叠系炭质页岩软弱夹层剪切蠕变特性研究 总被引：2，自引：0，他引：2
以西南灰岩山区二叠系炭质页岩软弱夹层为研究对象,开展了原生软岩、层间剪切带和滑带3个演化阶段的矿物组成成分、微结构和不同正应力水平的剪切蠕变力学特性分析。结果表明：软弱夹层在演化过程中,矿物组分发生改变,黏土矿物含量在原生软岩中小于5%,层间剪切带中在5%～10%之间,滑带中大于10%。微结构由致密变得疏松,颗粒间连接力减弱;软弱夹层的蠕变位移和蠕变速率随着剪应力增加而增大,呈非线性关系。在相同剪应力条件下,蠕变位移和蠕变速率的关系为：滑带>层间剪切带>原岩。长期剪切强度逐渐降低,黏聚力的降幅大于内摩擦角,对时间的敏感程度较高。为受软弱夹层控制的层状基岩滑坡的发育发展过程、失稳机制研究提供了重要借鉴意义。 相似文献
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Development of Rock Bolt Elements in Two-Dimensional Discontinuous Deformation Analysis 总被引：1，自引：0，他引：1
Computer modeling can be used to explore and gain new insights into the impacts of rock bolt intersecting joints in rock masses, and to estimate the effectiveness of the rock reinforcement system. In order to achieve this goal, we couple a rock bolt element into the two-dimensional discontinuous deformation analysis (DDA2D) program. The coupling algorithm is based on the analytically-derived interface behavior between a rock bolt and the rock material for grouted rock bolts. The shear force generated by slippage along the interface is assumed to have a linear relationship with respect to the relative slipping distance between the rock bolt and the rock. The linear elastic criterion is applied to determine the material behavior of rock bolts before the axial stress reaches the yield value. The pullout tests are simulated to verify the coupling algorithm and the effects of the proposed rock bolt elements. Parametrical studies are also carried out to analyze the effectiveness of the rock bolts under various end conditions, joint locations and bond stiffness. In addition, the performance of the rock bolt during the interface debonding is analyzed using two types of constitutive laws, i.e., the friction law and the reduction law. The simulation results show that the proposed rock bolt models can predict the shear forces and axial loading along the rock bolts. 相似文献
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随着全球气候变暖,多年冻土加速退化,冻土区土石混合体边坡稳定性问题日益突出。为探究不同含水率和碎石含量对土石混合体冻融交界面剪切强度的影响。开展土石混合体冻融交界面直剪试验,得出含水率（21%、24%、27%、30%）和含石率（0%、10%、20%、30%、35%、40%）对土石混合体冻融交界面抗剪强度变化的影响规律。试验结果表明：含水率对土石混合体冻融交界面强度的影响可分为快速下降和缓慢下降两个阶段。当含水率从21%增加到27%的过程中,土石混合体冻融交界面强度下降迅速。当含水率从27%增加到30%的过程中,界面抗剪强度继续下降,但下降速率减慢,即含水率对界面强度影响的阈值在27%左右。随着碎石含量增加,界面抗剪强度一直处于增长趋势。当含石率为10%的交界面强度相比不含石的交界面强度有明显增加,最大增长幅度为33%。当含石率大于30%时,土体抗剪强度增长迅速,即含石率对界面强度影响的阈值在30%左右。当含石率一定时,交界面处摩擦角随着含水率增加逐渐减小,在含水率达到27%后变化缓慢,而交界面黏聚力在含水率达到27%前快速减小后趋于缓慢下降。当含水率一定时,随着含石率增加,交界面摩擦角一直处于增长,尤其在含石率超过30%后增长迅速。当含石率从0%增加到30%的过程中,黏聚力先有小幅度下降后处于平缓增长趋势,在含石率超过30%后迅速增加而后又趋于平缓。 相似文献