基于岩腔后退的危岩断裂破坏分析——以重庆市万州区太白岩危岩为例∗

硬质岩体危岩的突发性破坏本质是岩体的脆性断裂破坏。以重庆市万州区太白岩危岩为例,将危岩后缘卸荷裂隙的扩展贯通简化为半无限大板的边缘裂纹断裂问题,建立了卸荷结构面接触与非接触的裂纹断裂力学模型,推导了 I 型裂纹、II 型裂纹应力强度因子以及联合应力强度因子表达式,并基于数值模拟手段提出了危岩结构面正应力与剪应力确定方法。万州太白岩危岩 W10 断裂破坏分析结果表明：危岩崩塌失稳受控于岩腔的深度,岩腔深度加大,后缘卸荷裂隙扩展,其力学机制根据岩腔深度变化表现为拉破坏和拉剪破坏;对于危岩 W10, 裂纹联合应力强度因子随岩腔深度的增大表现出先增加后降低再增大的趋势,I 型裂纹断裂应力强度因子具有与联合应力强度因子相同的变化特征;岩腔深度 3~6 m 以及 9~10 m 内,危岩裂纹主要为拉应力集中状态;岩腔深度 6~9 m 时,危岩裂纹处于拉剪应力状态;当岩腔深度为 3.8 m 时,危岩 W10 发生拉剪断裂破坏,断裂扩展角为 29.5°。     

温度-应力联合作用下的不稳定岩块稳定性分析

在温差较大的区域,温度是诱发薄型不稳定岩块崩落的重要因素之一。考虑温度与应力联合作用下对不稳定岩块稳定性的影响,首先基于传热学方法,将x,y两个方向的温度传递分别进行计算,然后通过叠加原理建立了不稳定岩块内温度场和不稳定岩块主控结构面处的温度应力解析计算方法。考虑温度应力、不稳定岩块自重、地震和裂隙水压力联合作用下,基于断裂力学建立了不稳定岩块主控结构面的应力强度因子的计算方法,并根据不稳定岩块主控结构面的联合应力强度因子和断裂韧度构建了不稳定岩块稳定性分析方法。通过算例对比分析,结果表明,温度应力对薄型不稳定岩块的稳定性有着重要的影响,温度刚开始升高时不稳定岩块的稳定系数下降较快,随着温度进一步升高,不稳定岩块的稳定系数变化变缓;揭示了温度和主控结构结构面贯通长度联合作用下不稳定岩块稳定性的变化规律。所建立的不稳定岩块稳定系数计算方法可为温差较大地区的薄型不稳定岩块稳定性分析提供新的方法。     

浅析岩石强度准则与断裂韧度的关系

通常人们很少将岩土塑性力学和断裂力学联系在一起解决问题。然而，岩石的破坏和断裂是紧密相联的，岩石强度准则的材料参数和断裂理论的断裂韧度存在特定的方程关系。本文作出了推导，并以岩石的压剪试验为例，说明该推导的合理性。     

混凝土复合型裂缝的断裂能及其判据研究

首先通过理论分析得到断裂能与能量释放率的关系,继而根据试验研究测出的单一型裂缝的断裂能,进行单一型裂缝断裂能与断裂韧度的相关性分析,得到了单一型裂缝的断裂能与能量释放率之间的关系,再进行数值模拟,获得混凝土复合型裂缝的断裂能。基于Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、二维复合型(Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅲ)和三维复合型(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ)的应力强度因子断裂临界曲线和临界曲面(即完整的系列K判据),通过各复合型裂缝的断裂韧度,得到相应的能量释放率,进而获得复合型裂缝的断裂能,绘出断裂能临界曲线和曲面,从而建立了完整的系列断裂能G判据。     

基于PFC2D数值模拟座滑危岩破坏过程研究

发育在软硬互层结构上的危岩是一种多介质复合结构岩体,呈现出非均质危岩体的各项异性,比单一岩性在荷载作用下的受力、变形、破坏特征要复杂。利用颗粒流离散元方法进行数值模拟是研究该类危岩破坏问题的良好途径。基于PFC2D软件,对长江巫峡望霞W2危岩颗粒物质动力响应和危岩失稳过程进行了研究。结果显示,在上部重力荷载与下部软弱基座强度参数劣化的共同作用下,危岩体沿岩体底部软弱结构面锁固段发生破碎挤出。获取的位移参数表明,危岩体顶部和底部较大的速度差异可使危岩体呈后倾座滑破坏。模拟结果与实际监测数据结果吻合,验证了该方法对含软弱基座危岩破坏预测的科学性与合理性。     

基于纳米压痕技术的页岩土MICP结石体微观力学特性研究

目前对于微生物诱导碳酸盐沉淀技术(MICP)土体加固技术的研究大多数集中在宏观力学性能上,对微观力学特性的研究较少。为了探究页岩土 MICP 结石体的微观力学特性,在不同峰值荷载下对页岩土 MICP 结石体进行纳米压痕测试,并基于能量法中弹性参数计算模型及塑性断裂力学理论计算页岩土 MICP 结石体中胶结体区域及土颗粒区域的硬度、弹性模量和断裂韧度。结合激光显微镜及 X 射线衍射试验,探讨测点处碳酸钙胶结体状态及矿物组分对页岩土 MICP 结石体各相材料微观力学特性的影响,建立页岩土 MICP 结石体弹性模量、硬度及断裂韧度三者之间的线性关系。结果表明,利用纳米压痕技术测试页岩土 MICP 结石体材料的弹性模量、硬度及断裂韧度具备可行性。由于 MICP 技术诱导生成的方解石晶体质地不均匀,导致页岩土 MICP 结石体中胶结体的弹性模量、硬度及断裂韧度存在较大离散性。矿物组分中石英矿物的存在能够强化页岩土颗粒的微观力学特性,使部分页岩土颗粒的力学参数提高。各区域的断裂韧度变化趋势与弹性模量、硬度相同,三者之间具有简单线性关系。 纳米压痕技术打破了常规力学试验对试样尺寸的限制,为测定页岩土 MICP 结石体的细观力学参数提供借鉴。     

崩塌体运动的全过程模拟及工程应用研究

基于颗粒流程序,建立颗粒-颗粒之间和颗粒-墙体之间线性接触刚度模型、滑动模型和带滞后阻尼性质的接触模型,对危岩体崩塌各个运动过程进行数值实验,得出一种比较理想的模拟方法和参数选取方法,对于研究含有多种运动形式的危岩体崩塌复合运动有一定的参考价值。结合工程实例,模拟危岩体自脱离边坡坡面到运动终止的全过程,并说明模拟方法的有效性,预测危岩崩塌体的滑落距离和任意位置处的速度,为选取合理的防治措施提供指导。     

基于断裂力学和有限元的碾压混凝土坝劈头裂缝扩展的应力计算研究

混凝土坝的劈头裂缝属于断裂力学中描述的张开型(I型)裂缝。劈头裂缝应力计算中,强度因子KI和材料开裂韧度KIC是判断劈头裂缝扩展的关键参数。采用断裂力学的基本理论推导裂缝应力计算的基本公式,并借助有限元来确定强度因子和材料开裂韧度,对寒冷地区实际工程坝体裂缝进行计算,得出运行期4日型寒潮期和不同运行时段的温度裂缝长度和强度因子。通过对比发现,计算结果与大坝运行期不同工况裂缝的实际情况相符合,验证了方法的正确性。     

地震条件下陡峭岩体崩塌式渐进破坏研究

基于离散单元法DEM,推导颗粒黏结-阻尼振动-运动演化方程,建立三维陡峭岩体模型,在地震横波与纵波条件下,进行岩体渐进式破坏演化动态过程模拟,在模型中实时跟踪9个监测点相关力学及运动参数,分析从稳定至滑动,再到碎石运动演化过程中参数变形情况。结果表明:细观颗粒间从黏结到损伤断裂再到运动的过程中,非线性运动特征差异化明显。水平向横波作用下,左侧岩体渐进式破坏严重,呈现出断裂-分离-接触碰撞-再分离的运动演化过程。不同振动强度下,岩体破损程度差异明显,振幅15以上岩体破坏严重。纵波单独作用下,岩体虽发生水平向裂纹,中部发生较大变形,但整体结构保持较好;模拟发现横波是岩体破坏的主要因素,纵波和横波叠加作用下两侧岩体破坏严重。     

基于细观尺度的岩体开挖渐进破坏模拟研究

岩土渐进式地质灾害是当前岩土工程领域的重要研究课题。基于颗粒离散元法导出颗粒连接损伤模型,建立岩石细观离散模型,进行不同颗粒参数条件下的岩石单轴受压数值模拟。结果表明,岩石细观颗粒间相互黏结力是影响颗粒黏结破坏的主要因素;颗粒间摩擦系数是影响宏观强度的敏感参数,单轴受压试验形成接近45°剪切带,数值模拟与试验结果较好吻合,验证了该模型的合理性。建立岩体开挖细观离散模型,模拟不同地层条件下的开挖过程,对比分析了开挖未支护和支护情况下检测点的沉降差异。研究发现,未支护支撑下,深层开挖时,检测点的位移沉降较浅层开挖时明显;支护可以有效降低围岩变形,防止拉应力产生。本文从细观上揭示岩体开挖条件下渐进式破坏过程形成机制,为更深入研究岩土力学特性和滑动断裂的形成与发展等渐进破坏过程提供了理论和技术支撑。     

危岩块体稳定性分析的蒙特卡罗边界法

在危岩块体的稳定性的可靠度分析中,本文采用了一种新的可靠度分析方法──蒙特卡罗边界法．并将此方法应用于清红电站V#号危岩块体的计算和稳定性评价,其结果与实际监测成果基本吻合．     

2种Ⅱ型混凝土试件断裂韧度K_(ⅡC)值的比较研究

根据混凝土四点剪切加载和两端切口半边对称加载这2种Ⅱ型混凝土试件断裂试验的结果,计算分析了它们的断裂韧度KⅡC及其相互关系。采用有限元方法,基于数值模拟,利用ANSYS软件计算分析了2种Ⅱ型混凝土试件断裂试验加载阶段各荷载步的应力场和应变场,用位移外推法分别计算了四点剪切加载和两端切口半边对称加载Ⅱ型断裂数值模拟试验的断裂韧度,并与试验结果进行了比较。由于两端切口半边对称加载条件下试件受力均匀,容易保证整个试验过程中试件断裂过程区切应力占据主导地位,而四点剪切加载条件下则不可避免出现张拉和扭转等现象,从而导致试件断裂破坏过程中并不总是纯剪切的Ⅱ型断裂,这可能是这2种Ⅱ型混凝土试件断裂韧度KⅡC值有所不同的原因所在。     

某抽水蓄能电站工程区断裂断层泥研究

通过断裂断层泥的粒度成分分析、粒度分形和石英颗粒形貌(SEM)特征观测等方法来分析与评价某抽水蓄能电站工程区断裂活动性,从而得出工程的稳定性。这一研究对大型地下工程场区稳定性综合论证及对地下硐室合理选址、设计以及确保工程安全等具有重要的应用价值。     

基于人工神经网络方法的FRP增强混凝土断裂研究新思路∗

纤维增强复合材料(FRP)作为一种新型的增强加固材料,由于其强度高、质量轻、防腐蚀、耐疲劳、与混凝土粘结性能好以及便于施工等诸多优点,在混凝土结构修复加固领域得到了广泛的应用。近年来,随着人工智能(AI)的逐渐兴起,机器学习(ML)作为实现AI 的一种途径,在水利、建筑等各行各业也得到了长足的发展。首先简单介绍了ML 的基本原理,并通过对ML 在混凝土结构工程中应用的系统回顾与总结,指出了传统试验和数值模拟分析中FRP 增强混凝土断裂研究存在的一些难点和局限性,阐述了基于ML 的人工神经网络(ANN)方法在处理混凝土结构问题中的优越性,认为采用ANN 方法能够有效解决FRP 增强混凝土断裂研究中难以解决的问题;其次,对ANN 方法应用于FRP 增强混凝土断裂韧度预测中的新思路进行了详细介绍,给出了ANN 方法应用于FRP 增强混凝土断裂韧度预测的具体流程,并对其流程中的一些步骤给出了建议;最后,对ML 应用于FRP 增强混凝土断裂方向的深入研究进行了展望,提出了ML 应用于FRP 增强混凝土断裂方向深入研究的相关问题。     

筑坝反滤料动模量和阻尼比试验的颗粒流模拟

以筑坝反滤料的室内中型动三轴试验结果为基础,运用离散单元法中的二维颗粒流方法建立了轴对称数值试样模型,通过控制加荷过程中试样体积不变的方法,模拟了不排水加载条件下反滤料的动模量和阻尼比试验。调整颗粒的细观接触参数,与真实试验结果进行比较分析,在得到符合实际结果的宏观力学响应的同时,分析了配位数、孔隙率和超孔隙水压的变化,并从微观角度对动三轴试验进行了探讨。讨论了固结比和密实度对动模量的影响,认为粗粒反滤料的固结比对最大动模量的影响比较符合H ard in推导公式的结果。结果表明,颗粒流方法可以较好地模拟反滤料的动模量和阻尼比试验,试验过程中微观方面的表现也符合实际室内试验的规律。     

粗粒料颗粒形状对材料宏观力学性能的影响∗

粗粒料的颗粒形状是影响材料宏观力学性能的重要因素,大型三轴试验的局限性限制了粗粒料微观结构对力学性能影响的研究。基于二维颗粒流理论,利用PFC2D建立4种不同形状的颗粒簇,进行了双轴实验的颗粒流数值模拟,建立形状与宏观力学性能和变形特征的相互关系。结果表明:颗粒形状系数与材料内摩擦角近似呈线性关系,随着形状系数的增加内摩擦角递减;材料强度峰值和残余强度随着颗粒形状系数的增加而减小;材料初始切线模量随着形状系数的增加而减小;数值模型在加载过程中先出现剪缩效应,后产生剪胀效应,且同一形状颗粒的试样,围压越大,剪胀变形越明显;不同形状颗粒的试样达到最终应变软化状态之前,形状系数越小,剪缩效应越不明显,反之,剪胀效应越明显。     

基于模糊失效准则的危岩稳定可靠度计算∗

为预测危岩崩塌灾害的发生,分别选取影响三种不同类型危岩稳定性的主要参数作为随机变量 X₁~X₅,基于模糊失效准则和可靠度理论建立了危岩模糊可靠度计算模型和方法。首先,根据危岩稳定系数的隶属函数表达式,引入新随机变量 X₆,将稳定系数的隶属函数作为新随机变量 X₆的概率分布函数,得到了随机变量 X₆的概率分布形式。然后,针对三种不同类型危岩分别建立了危岩失稳模糊事件的等效功能函数和模糊可靠度计算模型。最后,采用改进的 Monte?Carlo 法计算了危岩失稳模糊事件的失效概率。对万州首立山 6 块单体危岩进行分析,结果表明：当危岩稳定系数从小至大变化,考虑模糊失效准则后危岩的失效概率增加幅度经历由小变大再变小的过程, 即处于欠稳定~基本稳定状态下的危岩模糊性较强,判断其真实稳定性状态较困难,实际工程中针对这类危岩仅采用经典可靠度计算方法得到的结果存在一定风险,需考虑模糊失效对危岩可靠度的影响。     

基于AHP-Fuzzy法的灰岩地区崩塌体失稳危险性评价

危岩崩塌体的形成是多种影响因素综合作用的结果,且影响因素具有复杂性与模糊性的特点。基于AHP法,通过分析影响三峡库区灰岩地区崩塌体发育的各种因素,选取地形和地质条件、崩塌体几何特征及其他3个因素作为准则层,遴选出了陡崖高度、陡崖结构特征、陡崖所处地质构造、崩塌体规模、主控结构面倾角、主控结构面贯通度、日最大降雨量、风化作用、地震烈度及人类工程活动等10个评价指标作为子准则层,构成了AHP法的层次结构,建立了危险性评价指标体系。将层次分析法和模糊综合评价法有机结合,构建了三峡库区灰岩地区崩塌体危险性模糊综合评价模型。通过工程实例磨子岩W1,W2,W3三个危岩体对该评价模型进行了检验,磨子岩危岩危险性评价结果符合磨子岩危岩整体稳定性较差,已经发生部分崩塌,危险性极大的客观实际,表明构建的三峡库区灰岩地区崩塌体危险性评价模型具有较好的的适用性。     

土石坝振动台模型试验颗粒流数值模拟分析

目前一般采用振动台试验、离心振动台试验和有限元动力分析来获得土石坝在设计地震荷载作用下的形态和抗震性能。本文结合孔宪京等的土石坝振动台试验结果开展了颗粒流细观数值模拟研究,克服了传统连续介质力学的宏观连续性假设,形象而直观地表现出坝体在动力荷载作用下的破坏特征。数值模拟规律与振动台试验规律基本一致。同时还分析了坝体颗粒粘结强度和地震峰值加速度变化对坝体破坏特征的影响。数值结果表明,当颗粒间粘结强度较低时,表现为坝体表面颗粒的滑动破坏,粘结强度稍大时,会出现局部的小块颗粒团整体滑动破坏;随着峰值加速度的增大,坝顶沉降量在增大,坝体破坏特征不变。     

堆石料双轴试验数值模拟研究

颗粒形状对堆石料的力学特性有着明显的影响。采用二维颗粒流程序建立5种不同形状特征的颗粒簇,开展了不同围压下堆石料的双轴试验的数值模拟研究,分析了不同形状特征对堆石料的破碎特性及其宏观力学性质的影响。分析过程中考虑堆石料的颗粒破碎特征,对布拉斯谢克形状系数s进行修正,提出了考虑颗粒形状特征的修正系数s′。研究结果表明:堆石料的破碎率随着修正后的形状系数s′值的增加而减少,其规律接近于反比例函数线;数值模拟过程中,5种试样随着轴向应变的增加呈先剪胀后剪缩的趋势,且越圆润的颗粒峰值体应变越大;材料的峰值强度随着s值的增大而增大。