隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征研究

岩体的节理是一种常见的构造地质现象,也是影响岩体稳定性的重要因素之一,节理的存在使得围岩的变形特征、应力变化以及完整性更加复杂。为了明确隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征,采用Midas GTS NX软件,基于莫尔-库伦准则,建立了节理岩体中的隧道施工模型,通过改变节理倾角和节理间距,分析不同工况条件下围岩的应力变化与围岩变形规律。结果表明：随着节理间距的减小,隧道围岩的水平位移值和竖向位移值均呈现递增趋势。     

侧压力系数对节理岩体隧道稳定性的影响

为研究侧压力系数对节理岩体隧道稳定性的影响,利用ABAQUS有限元软件建立了节理岩体隧道模型,分析了不同的侧压力系数和倾角节理对隧道围岩稳定性的影响,研究了围岩变形规律、围岩应力分布、塑性区域分布及围岩破坏时塑性流动规律.研究结果表明:随着侧压力系数的不断增加,围岩竖向位移、最大主应力、最大等效塑性应变均呈现先减小后增...     

基于断裂理论的节理岩体等效弹模的研究

为了研究无填充断续节理岩体的力学特性,假定岩体中的节理类似于断裂力学中的裂纹,利用裂纹扩展的能量释放率理论,结合弹性力学中的Betti互易定理,推导出了在平面应力状态下一组闭合节理平板的等效弹模,并考虑到节理之间的相互影响,对其进行了相应的修正;同时进一步推导了三维含无填充断续节理岩体在闭合状态下的等效弹模。最后得出节理岩体的等效弹模与节理的几何形态及其力学参数以及节理是否闭合有关。     

考虑残余强度的层状岩体损伤演化规律

为更加真实准确地描述层状岩体的损伤演化过程，结合横观各向同性材料的弹性理论和损伤力学理论，采用修正的Lemaitre应变等价假设，建立了考虑残余强度的层状岩体损伤本构模型，通过页岩、千枚岩和板岩的三轴试验数据验证了模型的准确性，并分析了不同层理角度岩体的全过程损伤演化规律.研究表明：模型既可以描述层状岩体的弹性变形，又可以较好地反映峰后应变软化过程；在初期加载过程中岩体的损伤值基本为0，随着应力增加，损伤值呈现出缓慢增长、加速增长、减速增长以及达到残余强度后稳定于1；页岩层理角度为60°时损伤演化曲线最陡，损伤发展速度最快，最先破坏，千枚岩层厚较薄，强度更低，层理角度为90°时最先破坏，而板岩相对较厚，强度更高，层理角度为45°时最先破坏；岩体层理弱面的存在，导致了力学性能和破坏模式的各向异性，损伤演化规律也表现出明显的差异性.     

基于ANSYS和FLAC的复杂节理岩体性能分析

针对复杂节理岩体组构多样、大小不一、难以建模的问题进行研究。将ANSYS的前处理功能与FLAC3D的节理接触面生成功能相结合完成建模,并对不同节理岩体进行分析。结果表明:ANSYS划分单元后能根据节理的方位和走向赋予不同物理力学参数;FLAC3D能够拆分节点形成接触面;通过数值模拟与现场测试分析对比证明该模拟方法能够准确反应复杂节理对岩体力学特征和破坏形态的影响效果。     

卸荷条件下地下洞室围岩稳定的损伤力学分析方法

岩石地下洞室围岩的失稳主要是由于工程开挖导致岩体局部卸荷，从而使围岩体损伤逐步累积和发展所造成的，由于应力路径的不同，岩体在卸荷条件下与加载条件下具有不同的强度破坏特征和破坏准则。本文在围岩失稳力学机理分析和岩体损伤破坏试验的了，应用“损伤破坏表面”的概念和各自异性损伤力学理论，提出了卸荷条件下地下洞室围岩稳定性分析的损伤力学方法，并已在青岛地铁隧道的围岩稳定及合理埋深研究中得到成功应用。     

不同粗糙度岩体节理面的应力松弛特性及机理

应力松弛是岩体节理面时效特性的重要组成部分，也是影响岩体工程长期稳定性的重要因素. 为研究不同粗糙度岩体节理面的应力松弛特性，并进一步探索节理面的应力松弛机理，选取Barton标准剖面为人工模拟节理面的表面形态，并用水泥砂浆浇筑成型；然后，对其进行了分级加载剪切应力松弛试验，研究了不同粗糙度节理面在不同初始应力水平下的应力松弛曲线及应力松弛速率曲线特征，给出了松弛应力与初始应力之间的关系，并结合试验现象分析了应力松弛的发生机理. 研究成果表明:随着初始松弛应力的升高，松弛应力先减小后增大，即岩体节理面应力松弛能力先减弱后增大，该现象与剪切过程中节理面的变形和裂隙发展有关，应力松弛是试验机为保持变形不变而不断调整，同时内部裂隙发育导致其内部抗力减小，进而引起应力下降的过程，并且粗糙度（JRC）越大，应力松弛能力越强.      

变化裂隙岩体的压缩破坏RFPA数值模拟

岩体的结构面特征对岩体的变形与破坏产生重要影响,探讨含裂隙岩体破坏过程中裂纹扩展、强度及能量特征具有重要意义。运用数值模拟软件RFPA,选用灰岩物理力学参数,采用单向压缩应力状态,分析了裂隙岩体的初始裂隙不同水平位置、倾角及长度对裂隙岩体破坏的影响,共14个工况。模拟结果表明:裂隙的水平位置对裂纹的上、下扩展角的影响不大,随着裂纹水平位置a的增大,上裂隙扩展线出现的时间越来越早,裂隙水平位置对其峰值强度影响较小;随裂隙倾角的增长,上、下扩展角迅速降低,试件峰值强度随之增加;随裂隙长度的增加,上、下扩展角迅速增长,峰值强度呈减小的趋势;裂隙的水平位置、倾角及长度对裂隙岩体残余强度影响很小。通过对14个工况的能量和声发射活动发现:当预制裂隙远离轴线时岩体破坏呈"双峰"型破坏;当预制裂隙为陡倾裂隙时岩体破坏呈"瘦高"型破坏;当预制裂隙为缓-中倾角裂隙时岩体破坏呈"矮胖"型破坏。研究结果对灰岩地区危岩的防治治理具有重要意义。     

平面滑动型岩质边坡地震动力响应

为探讨地震荷载作用下顺层岩质边坡的失稳机理,采用疲劳强度理论分析地震载荷作用下边坡岩体力学性质的变化.将地震波简化为弹性波,对结构面产生等效静态应力,得出了顺层边坡沿结构面失稳的破坏判据,并以汶川地震中唐家山高速滑坡为例,验证了破坏判据的合理性.研究表明,顺层边坡沿结构面失稳主要取决于结构面倾角、内摩擦角、结构面两侧岩体的波阻抗以及地震波入射角,横波是造成边坡失稳的主要因素.对于唐家山高速滑坡,纵波最危险的入射角为0°和10°,横波最危险的入射角为10°和20°.     

层状岩体不同倾角对高地应力隧道稳定性影响分析

以层状岩体高地应力隧道为工程背景,采用数值模拟的方法,分析层状岩体的不同倾角对高地应力隧道稳定性的影响。研究结果表明：高地应力隧道相对于普通地应力隧道,其支护结构承受的荷载更大,隧道的稳定性问题更加突出;在25°～65°范围内,锚杆轴力随岩层倾角增大而增大的趋势明显。结合分析结果,通过将锚杆与岩层大角度相交,使多层岩体串联,从而增大了岩体层间阻力,减小了层间剪切错动的可能性,使锚杆充分发挥销钉的作用,减小了支护结构受力,增强了隧道围岩的稳定性。     

武当群片岩物理力学特性试验研究

通省隧道是十(堰)房(县)高速公路的控制性工程,隧道建设期间不同程度地遇到了纵向裂缝、钢拱架被剪断等变形破坏问题,这些问题的出现与该地区分布的武当群片岩具有的特殊物理力学特性密切相关。为弄清该类片岩的特性,选取通省隧道掌子面的武当群片岩,对其进行室内X衍射矿物分析、物性试验、三种片理倾角(0°、45°、90°)的力学试验。     

工程岩体抗剪强度参数的数值分析及应用

借助于地质调查和简便易行的力学实验确定复杂岩体的力学参数是岩石力学积极探索与研究的方向之一，根据典型的岩体结构概化模型，模拟现场岩体力学实验可以达到简便易行和完成大批量试验的目的，本文使用数值分析方法，模拟了节理－岩桥组合切实验过程，计算了岩体抗剪切破坏强度参数并应用于工程实践。     

干湿循环作用下充填节理岩石压缩特性

为探明干湿循环作用对充填节理岩石压缩力学强度与变形破坏特征的影响，人工制备多种不同充填物的节理岩石试样，对其进行0(全程干燥)、1、5、10、15、20次干湿循环预处理，使试样产生一定的累积损伤；在此基础上，对充填节理岩石试样进行静态单轴压缩试验和动态冲击试验，并在动态冲击试验过程中借助高速摄像机观察充填节理岩石的冲击破坏特征。研究结果表明：随着干湿循环次数的增加，充填节理岩石的静态和动态抗压强度不断降低，且降低幅度逐渐变小，20次干湿循环作用后岩样的静态和动态抗压强度总劣化度均为20%～30%;通过拟合发现岩样的动态抗压强度降低规律符合指数函数分布；随着干湿循环次数的增加，静态破坏模式由劈裂破坏逐步发展为剪切破坏，动态冲击中充填节理岩石破碎程度和充填节理层粉碎飞溅程度加剧，验证了干湿循环作用会严重影响充填节理岩石的变形破坏特征和动态抗冲击能力；应力波透射系数随干湿循环次数的增加而不断降低，20次干湿循环作用后岩样的应力波透射系数降低了约10%,说明干湿循环作用对应力波传播能力造成了显著影响。     

层状软岩隧道开挖稳定性及锚杆非对称支护方式研究

层状软岩地层中,隧道开挖后围岩的非对称破坏特征与支护结构的非对称受力特征显著,围岩的稳定性控制面临着较大的挑战。基于该背景,建立了层状岩体各向异性本构模型,并采用该模型分析了层理面的倾向与倾角对隧道破坏模式的影响,最终提出了围岩形变控制的锚杆非对称支护模式。研究结果表明:①当岩层倾角为0°,倾向为0°～180°或倾向为0°,倾角为0°～90°时,不同组合下围岩的塑性破坏区及形变显著区域均沿着隧道竖向轴线对称分布;倾角在0°～90°之间时,围岩的塑性区及形变显著区域呈现明显的非对称分布特征;倾角为90°,倾向为90°时,围岩塑性区及形变显著区域沿着隧道竖向轴线对称分布,其余倾向条件下,围岩的塑性区及形变显著区域沿着隧道竖向轴线非对称分布;②对于层状岩体而言,层理面特征是影响围岩破坏模式的最关键因素,而地应力场的方向是次要因素;③锚杆非对称支护方案,即首先加强围岩塑性破坏较大区域内的锚杆支护,其次加强围岩位移较大区域内的锚杆支护,可以有效的控制围岩的大变形与塑性区的发展。     

拉-剪应力场下全熔透十字型焊接节点疲劳寿命评估

为研究全熔透十字型焊接节点在拉-剪应力场反复作用下的疲劳损伤累积规律及疲劳寿命预测方法,选择不同倾角(0°、15°、30°、45°)全熔透承载焊缝十字形焊接节点,构建不同比例的拉-剪应力场.利用ANSYS建立有限元模型,对不同倾角下全熔透十字形焊接节点的应力分布状态及应力集中系数进行比较分析.完成4组12个比例加载时正应力和剪应力共同作用下的焊接节点疲劳试验.基于名义应力分别采用等效应力法、相互作用方程法和双参数临界面法,对全熔透十字形焊接节点疲劳寿命进行评估,并与试验结果进行对比分析.研究结果表明,应力比大于0.5时,按国际焊接学会方法及Eurocode方法得到的疲劳寿命偏大,主拉应力法得到的疲劳寿命仅为试验结果的1/3,双参数临界面法和等效应力法得到的疲劳寿命与疲劳实验结果吻合较好.     

岩体变形参数的应力状态效应研究

岩体力学参数存在随应力状态不同而变化的特性，称为应力状态效应。岩体力学特性的实测值具有空间场分布特征，分析表明地应力（或围压）的有规律变化是造成岩体力学参数空间变化的主要原因。考虑到实测地应力多具有较大的离散型，尝试利用反演方法获取地应力场信息，通过多元回归分析得到实测岩体变形参数与地应力的经验关系，以研究岩体变形参数的应力状态效应。通过一工程实例研究：得到地下厂房区域的岩体变形模量为16GPa左右，与反演分析结果也比较符合；通过应力状态效应研究得到的岩体变形参数物理场，是一个渐变的物理场模型，是更为符合工程实际的；主要考虑了岩体力学参数的应力状态影响，通过一系列的计算得到，人为因素少，计算结果可供工程实践参考。     

风沙冲蚀下钢结构涂层的界面应力与破坏准则

为表征和评价风沙冲蚀作用下钢结构涂层界面结合强度，以西北地区风沙流特征为背景，利用接触力学和界面力学理论建立了在风沙冲蚀作用下钢结构涂层的界面应力表达式.结合断裂力学理论和有限元分析方法，确定了钢结构涂层的界面起裂位置.在起裂位置处建立了考虑压应力影响的界面应力破坏准则.研究结果表明：当冲蚀角度为30°和60°时，最大界面剪应力分别位于冲蚀点前侧200 mm和180 mm处，最大界面压应力分别位于冲蚀点前侧100 mm和50 mm处，涂层界面的起裂位置为最大界面剪应力处.风沙冲蚀作用下涂层的界面应力破坏准则与莫尔-库伦强度准则相似，斜率的大小取决于沙粒的冲蚀角度，且当冲蚀角度为30°和60°时，斜率大小分别为-0.599和-0.467.     

溶蚀岩体各向异性力学性质的试验研究

溶蚀岩体通常对岩体工程稳定性具有关键控制作用. 为了揭示富含层理溶蚀岩体各向异性力学性质演化规律，分别针对不同溶蚀率（K = 0%，5%，10%，15%，20%）的岩体进行室内单轴抗压试验，获取每种溶蚀率条件下不同夹角（α = 0°，30°，45°，60°，90°）抗压强度和弹性模量，分析岩体破坏特征，依据试验结果建立含层理溶蚀岩体抗压强度和弹性模量的预测模型，并进行实验验证. 结果表明:抗压强度在α = 0°，90° 时最大，α = 45° 时最小，整体呈现对称U形；弹性模量在α = 60° 最小，α = 90° 最大，整体呈现不对称U形；完整岩体抗压强度以及弹性模量的各向异性指数最大，分别为1.98、3.05，随着溶蚀率增大其值逐渐减小，K = 20%时，分别为1.10、1.36；溶蚀率较小岩体变形破坏受岩体基质和层理控制，以劈裂、错动剪切和滑动剪切为主；随着溶蚀率增大，变形破坏受溶蚀孔隙和骨架控制明显，以骨架鼓胀剪切错动、压碎破坏为主.      

高地应力层状软岩隧道大变形预测分级研究

为探明高地应力层状软岩隧道的非对称变形破坏规律及其支护结构的非对称受力特性,结合碳质千枚岩力学特性与变形破坏机制的各向异性特性,对层状软岩隧道围岩的非对称变形破坏特征进行了分析. 在93座典型高地应力层状软岩隧道变形数据的基础上,系统性地分析了隧道拱顶沉降、水平收敛、最大变形量与地应力、岩体抗压强度、隧道埋深之间的关系. 研究结果表明:高地应力层状软岩隧道的变形量与最大地应力、岩体抗压强度、埋深的分布较为离散,在一定地应力、岩体强度或埋深条件下,隧道变形量既存在于高值区间,也存在于低值区间;隧道变形量随地应力的增大、岩体强度的降低、埋深的升高逐渐向高值区间靠拢,高地应力层状软岩隧道大变形是高地应力、软弱围岩、层理弱面耦合作用的结果;基于隧道最大变形量与隧道强度应力比的幂指数变化规律,提出了高地应力层状软岩隧道的大变形预测分级指标.      

石灰岩断口细观复杂程度的分形几何学分析

对石灰岩进行实验室内单轴、三轴压缩试验,得到应力-应变时间序列及岩石损伤破坏实验断口;对不同围压条件下压缩破坏的实验断口进行扫描电镜取像实验,计算石灰岩断口细观尺度下的分数维,以定量追溯其损伤破坏特征。得到围压提高后(20 MPa)的压缩破坏过程趋向复杂、岩石破坏断口分数维增大的一般规律;当围压增加到岩石单轴抗压强度约2/3时,高围压引发的径向新损伤主导了后期压缩过程,致使最终破坏原因趋于简单,岩石破坏断口分数维降至最低。在连续损伤力学的基本关系式中引入分数维约化指标,构建了描述石灰岩细观破坏特征的分形损伤统计模型。同应力-应变关系的实验结果比较,表明分形损伤理论模型符合实验关系曲线,能理想地反映石灰岩三轴压缩实验结果的应变软化特性,是对岩石细观损伤破坏特征的有益探讨。