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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。 相似文献
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工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。 相似文献
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结合Voronoi图随机模拟和3D打印技术制备不规则柱状节理网络模型，采用白水泥浆类岩石相似模型材料浇筑模型并拆模，然后分别采用白乳胶和502胶水作为黏结剂黏结柱体得到两组不规则柱状节理岩体试件，通过对其进行室内单轴压缩试验研究不规则柱状节理岩体强度特性和破坏模式。试验结果表明：不规则柱状节理岩体试件单轴抗压强度随柱体倾角的变化曲线呈现近似“J”型，表现出显著各向异性特征；不规则柱状节理岩体试件典型破坏模式包括沿柱状节理面的劈裂破坏、沿柱状节理面的剪切破坏和沿柱体的压裂破坏等3种，其部分破坏形态有异于规则柱状节理岩体试件。同时，通过与采用净水泥浆作为黏结剂的柱状节理岩体试验结果进行比较，结果表明：采用白乳胶和502胶水作为黏结剂时柱体间黏结强度更低，能够较好反映柱状节理面的弱化效应，试件力学响应与真实柱状节理岩体更为一致。 相似文献
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为了保障岩土工程结构能长期正常使用,需要对其蠕变变形进行分析。“时步-初应变”法是一种常用的计算岩石蠕变的方法。数值流形方法是一种新兴的数值计算方法,常用于计算节理岩体的变形,但尚未被试用于计算蠕变变形。在原数值流形方法的程序中增加了基于“时步-初应变”法的计算模块,通过对广义开尔文模型进行的模拟,显示新程序可以正确反映岩石的黏弹性蠕变趋势,并能够计算包含节理的岩体的蠕变变形,改进后的数值流形方法不但能够模拟岩石的线弹性变形,而且可以模拟岩石的黏弹性蠕变,比原流形方法更能全面地模拟岩石的变形,扩展了数值流形方法在岩土工程中的使用范围。 相似文献
5.
拉剪应力状态极易导致岩体破坏乃至失稳,为研究节理岩体拉剪破坏规律,开展了拉剪荷载下共面非贯通节理岩体变形破坏的理论与数值计算研究。通过自定义考虑岩石统计损伤演化的Mohr-Coulomb和最大拉应力准则模型,编写力学参数服从Weibull分布的fish函数,研究了拉剪条件下非均质节理岩体的破坏模式及破坏规律,讨论了岩石均质度、法向拉应力及剪切速率对岩体破坏模式及其力学性质的影响。结果表明,(1) 拉剪应力状态下节理岩体的破坏模式以张拉破坏为主,加载初期破坏位置分布散乱,随着加载和损伤演化逐渐形成带状破裂面,岩体宏观力学性质明显降低;(2) 非均质性对岩体破坏影响显著,主要表现为均质度的增加,岩体由弥散型破坏向集中型破坏转变,破裂面起伏度增大,同时岩体的宏观力学性质增强并最终趋向于均质岩体;(3) 低应力水平下拉应力增大不改变节理岩体以拉张破坏为主的破裂模式,但剪切破坏比例明显减少,同时岩体抗剪强度降低,破裂面的粗糙度增大;(4) 剪切速率对岩体力学性质的影响显著,静态加载范围内岩体抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增幅越来越小。 相似文献
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节理岩体的剪切特性是主导岩体工程稳定性的关键因素。基于PFC2D离散元颗粒流程序,结合室内试验结果对比分析,选取合理的细观参数进行数值模拟,分别从细观角度研究了节理岩石的裂纹发展、能量转化及声发射现象等特性,从宏观角度研究了节理岩石的强度模型和破坏形态。结果表明：节理岩体主要呈现磨损和剪断两种破坏形态,不同的破坏形态对应不同的强度模型;随着剪切变形增加,岩体沿节理面发生破坏,弹性阶段以法向裂纹为主,而塑性阶段切向裂纹起主导作用,滑移区R、P裂纹贯通形成破碎带,节理面产生较大滑移;在应力达到峰值强度前,边界能主要转化为应变能,法向裂纹生成较多;越过峰值强度后,摩擦能快速增长,并伴随大量切向裂纹产生。与室内试验结果相比,PFC2D较好地模拟了节理岩体剪切力学特性,弥补了室内试验中无法进行细观特性研究的缺陷,对于节理岩体后期研究提供了一些参考。 相似文献
7.
锚杆通常被作为表面粗糙的轴力杆单元进行分析,但在节理边坡加固中,由于节理面的错动,同时考虑锚杆的轴向和横向作用显得更加合理。通过理论分析,建立锚杆三弹簧单元的力学特征模型和变形特征模型,对其受力和变形进行全面分析;运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),建立以理想弹塑性本构Mohr-Coulomb准则为基础的节理边坡模型,应用三弹簧锚杆单元,对其锚固前后的动静态位移响应进行模拟。结果表明：节理面锚固处理后,岩体的刚度得到提高;边坡各部位的位移减小,节理两侧位移的突变值变小;锚杆对节理的上下盘岩体起到有效的拉结作用,抑制了两盘之间的较大变形位移,有利于边坡稳定。 相似文献
8.
In nature, there exist several forms of anisotropy in rock masses due to the presence of bedding planes, joints, and weak layers. It is well understood that the anisotropic properties of jointed rock masses significantly affect the stability of surface and underground excavations. However, these critical anisotropic characteristics are often ignored in existing uniaxial dynamic failure criteria. This study investigates the effect of a pre-existing persistent joint on the rate-dependent mechanical behaviours of a rock mass using a particle mechanics approach, namely, bonded particle model (BPM), to realistically replicate the mechanical response of the rock mass. Firstly, in order to capture the rate-dependent response of the jointed rock mass, the BPM model is validated using published experimental data. Then, a dynamic strength model is proposed based on the Jaeger criterion and simulation results. To further investigate the dynamic behaviours, the dynamic uniaxial compressive strength (UCS) for anisotropic rock masses with various joint orientations is investigated by subjecting the BPM models to uniaxial compression numerical tests with various strain rate. The proposed dynamic strength model is validated based on numerical simulation results. Finally, the fragmentation characteristics of the jointed rock masses are analysed, which demonstrate that the failure mode affects the dynamic UCS. This is further confirmed by the analysis of the orientations of microscopic cracks generated by the compression loading. 相似文献
9.
针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点，以兰州水源地建设工程为背景，采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料，运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律，并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应，软岩部分应变要大于硬岩部分应变，且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大；隧洞内岩体完全挖除后，围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异，上覆软岩变形破坏较为严重，破裂和变形较为显著，在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数，基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性，数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显，塑性区和破坏区分布范围更广，而下部硬岩受开挖扰动影响较小，只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异，因此，TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段，减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。 相似文献
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佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房施工开挖过程的FLAC3D数值模拟 总被引：9，自引：0，他引：9
选取佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房区,采用三维快速拉格朗日法（FLAC3D）模拟施工开挖过程,研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状态,分析了围岩和调压井高边坡在自重荷载作用下的开挖稳定性。通过对地下厂房洞室群区的加固处理,分析了围岩在加固后的力学特性。利用FLAC3D程序的Ubiquitous模型,引入了一组主要节理裂隙,分析了此组节理裂隙对地下洞室群围岩的开挖变形及整体稳定性的影响,并与无节理裂隙的数值模拟结果进行对比,综合评价了节理裂隙对洞室群围岩稳定性的影响。 相似文献
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节理岩体是工程中最常见的一类岩体,其在地震、爆炸等动载下的力学响应及破坏过程对相关工程安全性的影响至关重要。采用基于有限元应力分析和统计损伤理论开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载下节理岩体的动态破坏过程进行了模拟,重点讨论了节理条数、节理贯通度、节理倾角及应力波峰值对岩体动态破坏过程的影响规律。计算结果表明,断续节理岩体动态破坏过程及破坏强度与节理构造形态、应力波峰值密切相关。相同动载下,随着节理条数的增加,岩体破坏程度以及应力波能量损失增强,但当节理条数数超过一定值后,岩体破坏程度及应力波能量损失逐渐趋于稳定;节理贯通度较小时,岩体破坏程度较低且破坏单元自上而下均匀分布。随着节理贯通度的增加,岩体破坏增强,且破坏主要出现于节理上部岩体;节理倾角较小时,节理上部岩体破坏严重,易形成次生贯通裂纹。随着节理倾角增加,破坏范围逐渐变大,不易形成次生贯通裂纹;倾角为45°～60°时,岩体破坏效果最佳;动载荷的峰值越大,试样的破坏越严重。当峰值达到一定值时,节理附近发育出多条裂隙并向上下方不断发展而导致岩体完全破坏。在不同节理贯通度工况下与岩石霍布金森压杆（SHPB）试验结果进行比较,结论吻合,证明该数值模拟的合可行性和结论的可靠性。 相似文献
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弹塑性数值流形方法在边坡稳定分析中的应用 总被引：2，自引：0，他引：2
针对现有数值流形方法只能进行弹性计算的不足,建立了一个能够反映完整岩块弹塑性变形特征的本构模型,并借助VC++开发了内置该本构模型的弹塑性数值流形程序。利用该程序模拟了含单节理岩样的室内压缩试验,分析得到了其强度和变形特性,计算结果符合实际的物理现象,表明程序是正确有效的。考虑到数值流形方法本身能够有效模拟材料的不连续变形,新增的弹塑性分析功能又可以反映岩石的强度特性,将弹塑性数值流形程序应用于某含有不连续面的岩石边坡的稳定性分析。并结合锚杆单元的使用,对比分析了不同锚固方案的加固效果。程序提供的变形、应力等计算结果表明:预应力锚杆不仅可以防止不连续面发生剪切破坏,增强坡体的稳定性,限制塑性变形的发展;而且可以使不连续软弱层面对岩体变形的消极影响得以减弱,起到提高岩体整体性的作用。 相似文献
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This paper presents the results of a series of numerical experiments using the synthetic rock mass (SRM) approach to quantify the behaviour of jointed rock masses. Field data from a massive sulphide rock mass, at the Brunswick mine, were used to develop a discrete fracture network (DFN). The constructed DFN model was subsequently subjected to random sampling whereby 40 cubic samples, of height to width ratio of two, and of varying widths (0.05 to 10 m) were isolated. The discrete fracture samples were linked to 3D bonded particle models to generate representative SRM models for each sample size. This approach simulated the jointed rock mass as an assembly of fractures embedded into the rock matrix. The SRM samples were submitted to uniaxial loading, and the complete stress–strain behaviour of each specimen was recorded. This approach provided a way to determine the complex constitutive behaviour of large‐scale rock mass samples. This is often difficult or not possible to achieve in the laboratory. The numerical experiments suggested that higher post‐peak modulus values were obtained for smaller samples and lower values for larger sample sizes. Furthermore, the observed deviation of the recorded post‐peak modulus values decreased with sample size. The ratio of residual strength of rock mass samples per uniaxial compressive strength intact increases moderately with sample size. Consequently, for the investigated massive sulphide rock mass, the pre‐peak and post‐peak representative elemental volume size was found to be the same (7 × 7 × 14 m). Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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裂隙岩体热-水-应力（THM）耦合是目前研究的热点和难点。首先总结了裂隙岩体多场耦合的机制、模型、方法及研究内容,并通过分析裂隙对THM耦合的重要控制作用,提出了在THM耦合中考虑裂隙网络扩展演化及模拟的关键问题,同时指出了研究的3个关键点：（1）建立考虑裂隙网络演化的耦合模型;（2）裂隙扩展的数值模拟方法;（3）THM耦合及岩体变形、失稳全过程的数值模拟算法。随后通过对模拟多场耦合和裂隙扩展数值方法的归类比较,重点论述了目前适用于模拟多场耦合下裂隙扩展模拟的各种数值方法（包括有限单元法、无单元法、单位分解法、离散单元法、岩石破裂过程分析方法和数值流形方法）的优缺点,并通过对比研究,推荐采用数值流形方法（NMM）来实现对关键问题的模拟研究。最后,对研究思路和难点进行了初步探讨。 相似文献
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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. 相似文献
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Modeling of a jointed rock mass under triaxial conditions 总被引：1，自引：0，他引：1
One of the most important aspects of designing a structure on or in a rock mass is based on the strength response of a jointed
rock mass. Understanding this important aspect, the present study was undertaken to understand the strength response of a
jointed rock mass with the help of a finite difference package FLAC3D. In the present work, an attempt has been made to understand the effect of discontinuity angle on the failure mode and strength
of the rock mass. For this purpose, stress and displacement in the model were studied and various stress–strain histories
were recorded at constant strain loading rate. Rock discontinuity plays a critical and vital role to understand physico-mechanical
characteristics of a rock mass. It has wider application in the rock excavation engineering, e.g., caverns, tunnels, slope
stability, dams, etc. Simulated rock results are compared with the analytically calculated results of the jointed rock mass
and found in good agreement. 相似文献
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针对白鹤滩水电站地下洞室群开挖过程围岩稳定问题，基于离散单元法的数值仿真软件3DEC，研究开挖卸荷作用对围岩变形和破坏的影响；引入微震监测技术，对洞室围岩内部微破裂演化实时监测和分析，并将数值模拟结果与微震监测数据对比分析；借助常规位移监测研究围岩宏观变形的时空演化规律，验证数值模拟和微震监测结果的准确性。研究结果表明，围岩损伤与现场施工状态密切相关，同时受各种地质结构影响；数值模拟得到的围岩变形特征与微震监测得到的微震事件聚集规律基本一致，且与常规监测结果对应良好，采用三维离散元数值模拟和微震监测技术相结合的综合研究方法，能够较好地描述围岩在开挖卸荷作用下的力学行为，有效评估洞室围岩的损伤特征和潜在风险区域。 相似文献
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Parametric study of the smooth‐joint contact model on the mechanical behavior of jointed rock 
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下载免费PDF全文 The smooth‐joint contact model based on distinct element method has been widely used to represent discontinuity in the simulation of fractured rock mass, but there is rare efficient guidance for the selection of proper parameters of smooth‐joint contact model, which is the basement for using this model properly. In this paper, the effect of smooth joint parameters on the macroscopic properties and failure mechanism of jointed rock under triaxial compression test is investigated. The numerical results reveal that the friction coefficient of smooth joint plays a dominant role in controlling mechanical behaviors. The stiffness of smooth joint has a relative small influence on the mechanical behaviors. Poisson ratio decreases with the reduction of normal stiffness but increases with the reduction of shear stiffness. The reduction of smooth joint strength, which is determined by normal strength, cohesion, and friction angle of smooth joint, contributes to the breakage of bonded smooth joint and ultimately decreases the strength of the specimen. We proposed a detailed calibration process for smooth‐joint contact model according to the relationship between smooth‐joint parameters and mechanical properties. By following this process, the numerical results are validated against corresponding experimental results and good agreement between them can be found in stress‐strain curves and failure modes of different joint orientations. Further analyses from the microperspective are performed by looking at transmission of contact force, the nature and distribution of microcracks, and the particle displacement to show the failure process and failure modes. 相似文献
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深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究 总被引：2，自引：0，他引：2
随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明：（1）在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;（2）软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;（3）洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。 相似文献
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物理模型试验是研究矿山巷道开挖稳定性问题的重要方法,特别是对于深部节理岩体相似模型的制作,难度高,周期长,工艺复杂。为解决这一技术难题,提出了一套节理围岩巷道开挖的物理模型试验方法,依托金川矿区典型的菱块状围岩巷道进行了试验,详细介绍了模型搭建和开挖过程,并将模型试验与现场调查结果进行了对比,主要得到以下几点结论:(1)提出了一种浇-砌混合搭建方法,在模型内圈采用砌块堆砌的方式,外圈选择浇筑的方式,既能体现出节理围岩的结构特征,又能提高试验效率;(2)自主研制了一种巷道开挖装置,通过螺旋牵引拉出预埋模具的方式完成开挖,巷道成型好,扰动小;(3)以金川矿区巷道为原型进行的物理模型试验,真实还原了工程中巷道的变形破坏特征,证明了该方法的科学性、实用性和高效性,为类似模型试验的设计和制作提供了技术参考。 相似文献