大型反倾库岸岩体变形过程及破坏机制数值模拟

随着边坡地质结构、地层岩性和诱发因素的不同,反倾岩体的主控变形破坏模式都会发生改变。金沙江龙蟠边坡岩体主要为反倾向千板岩和砂岩互层状结构,坡脚河床深厚覆盖层构成了边坡的软弱支座。本文运用离散单元法模拟了大型反倾库岸岩体在漫长的地质历史时期中的变形演化过程,并基于反倾岩体变形的时效性观点,引入强度折减法分析边坡在不同阶段的剪切屈服区扩展情况及相应的稳定性状态。结论表明龙蟠边坡变形岩体是重力弯曲蠕变为主导的成因机制,并归纳提出了软基效应和互层效应共同作用下的大规模反倾岩体的累进性剪切破坏模式,俗称“龙蟠模式”。     

巫山县望霞乡桐心村危岩体变形破坏机制分析

本文通过详细调查危岩体所处斜坡变形现象发现,斜坡下部有约1m厚煤层被开采,斜坡上有塌陷和岩体开裂两种变形现象,两种变形均在继续发展;且这两者均与煤层开采有较大关联。工程地质类比法认为采煤引起的沉陷-掀斜变形机制对地表变形起主导作用。采用UDEC数值模拟表明,煤层开采后,位移变形由下向上传递。地表沉陷量向临空面增加,水平位移量也向临空面增加。上部坡体变形受垂直裂隙控制,下部坡体变形受水平层面和煤层控制;整体形成沉陷-掀斜。计算变形曲线显示变形有两个阶段,突破式跳跃变形阶段和缓慢变形阶段;如果没有新的开采活动,随着时间的推移山体最终会自行稳定下来。临空面的孤立危岩体在斜坡系统平衡后仍有较大速率,其稳定性较差,建议对其进行清除。     

岩石变形演化诱致灾变破坏过程的同步实验观测

将试样变形场演化特征与试样的宏观载荷位移曲线的演化特征结合起来研究是揭示非均匀脆性介质变形演化诱致灾变破坏的一个重要途径.本文发展了一套实验系统,通过对试样表面变形场的演化、宏观载荷和位移信号的同步观测,对单轴加载下岩石试样变形演化和灾变破坏的过程进行了实验研究.揭示了试样变形场由加载初期的随机涨落到灾变破坏前出现明显的变形局部化的演化特征现象,试样最终在变形局部化区内形成宏观破裂面.     

改进的节理岩体变形模量经验确定方法及其工程应用

在节理岩体工程的数值计算及稳定性评价中,变形特征参数的选择至关重要。在原位试验受到各种条件无法进行时,经验确定方法不失为一种好的选择。本文在大量收集目前国内外节理岩体变形模量经验确定方法的基础之上,提出了改进的节理岩体变形模量经验确定方法,即“尺寸效应折减”与“节理特征折减”的二次折减法,并应用3个坝址与水电站的节理岩体工程实例进行分析验证,得出了一些有益的结论。     

砂岩脆性变形破坏过程中声发射信息试验研究

针对砂岩试样进行了单轴刚性加载试验,并测试整个过程的声发射信息。根据试验情况,可将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征划分为压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂和峰后情况五个阶段。通过对稳定破裂和非稳定破裂分界点对应的临界点处的应力和应变值与峰值应力及其对应的应变比值分析发现,大部分应变比在74%与78%之间;应力比则相对具有较大的离散性,均值在73%左右。上述研究,通过对砂岩脆性破坏过程中声发射信息与应力比和应变比之间的关系分析,增进了对岩石破裂过程中生发现象的认识,为相应岩石脆性破坏导致的地质灾害分析提供了新的研究思路。     

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下,原有的平衡状态被打破,围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下,岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性,因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发,结合统计物理学观点,为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍,并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

基于SHPB实验的砂岩动态破坏过程及应变-损伤演化规律研究

为研究砂岩型铀矿爆破增渗地浸开采过程中赋矿岩层的破坏特征及损伤演化规律, 利用带有应变控制环的SHPB实验系统,对砂岩试样进行控制应变条件下的动态冲击实验,并结合波速测试实验和CT扫描实验,分析研究了砂岩试样的整体破坏过程、裂纹分布及应变-损伤演化规律。实验结果表明:在冲击荷载作用下,当应变值超过0.008 3时,砂岩试样会突然出现明显的整体破坏,整体破坏形式近似双锥形,其破坏模式为剪切-张拉混合破坏;随着应变的增加,裂纹的产生及扩展大致分为无裂纹阶段（0～0.003 3）、微裂纹起裂阶段（0.003 3～0.008 3）、裂纹贯通阶段（0.008 3～0.009 9）3个阶段,且裂纹分布区域主要集中在试样中间外围。分别从宏观、细观两方面建立了应变-损伤之间的定量关系式,损伤变量随应变的增长趋势大致分为两个阶段:平缓发展区（0～0.008 3）和迅速增长区（0.008 3～0.011 5）,损伤变量随应变增加并非简单的线性增加,而是应变值超过应变损伤阈值之后损伤程度急剧增加,应变损伤阈值为0.008 3。     

地下开采过程损伤场演化与地表变形的时变分析

以形状随时间变化的物体——时变体为研究对象,将损伤理论与时变力学结合,引入与时变过程相关的损伤参数,形成损伤时变力学分析方法。针对岩石介质特性给出了弹性损伤时变力学本构方程,并利用虚功原理建立相应数值化方法和分析过程。利用损伤时变力学分析方法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析,给出形状时变引起的损伤场与地表移动的动态演化过程,并对比了非时变以及施工分析结果。研究表明,损伤时变分析可得到连续变化的位移及损伤演化图,相比非时变的常规分析和施工分析能更好地模拟连续施工,为工程施工分析与预测提供更加科学和有效的手段。为实现开采过程的经济和安全,应该采用损伤时变力学的分析方法。     

基于t-SNE-AMARS-MPM的空间变异性边坡可靠度分析及大变形破坏模式研究

在考虑参数空间变异性对大变形边坡可靠度评估的影响, 特别是在小失效概率的情况下, 传统分析方法常因耗时冗长或难以评估大变形失稳破坏而受限. 针对这一问题, 提出一种结合t分布-随机邻近嵌入、主动学习多元自适应回归样条法和物质点法的新方法, 并深入探讨了t分布-随机邻近嵌入对代理模型的优化作用. 首先, 利用Cholesky分解法离散边坡参数随机场, 并通过确定性分析获取训练样本. 随后, 采用主动学习函数优化代理模型, 高效求解边坡安全系数并按升序排列. 最后, 使用物质点法依次模拟并获取失效样本. 以一个两层不排水土坡为例, 验证了该方法的有效性. 结果表明, 所提方法相较于传统随机物质点法, 计算量仅为其1.64%, 显著提高了计算效率. 同时, 通过对失效样本的深入剖析, 识别出边坡失稳具有4种不同的破坏模式, 这些破坏模式的演化过程与土体参数的空间分布紧密相关. 尤为值得注意的是, 多层渐进破坏模式作为其中破坏过程最为复杂的类型, 其对周边环境的威胁尤为显著, 需要重点防范. 这为边坡工程的风险评估和加固提供了重要依据.     

球形弹丸高速冲击IN718合金板的变形与破坏模式

为研究IN718镍基高温合金在高速冲击作用下的抗侵彻能力,采用直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸,利用二级轻气炮试验装置对IN718靶板进行了一系列弹道冲击试验。通过高速摄像机进行拍摄,弹丸的入射速度范围为548.2～1 067.0 m/s。对弹丸的剩余速度进行了测量和分析,并对弹道极限速度进行了验证,观察了靶板的变形和破坏模式以及弹孔直径。结果表明：在试验冲击范围之内,随着冲击速度的升高,靶板的变形模式由撕裂破坏到剪切破坏转变,靶板的穿甲破坏模式与冲击速度密切相关;靶板能量吸收效率随弹丸初始动能的增加而降低,且趋于常值0.7;靶板变形挠度随着冲击速度的升高呈减小趋势,且最大变形挠度出现在弹道极限附近;靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随着冲击速度的升高而增大,且背面所形成的弹孔直径大于前面所形成的弹孔直径。     

岩石破裂滑动过程及其声发射数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统, 对滑动形成过程进行了数值模拟研究。滑动岩体似为非均匀弹 -脆岩石材料, 模拟结果再现了滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程及其声发射规律。     

节理岩体边坡的动力稳定性分析

阐述了动力离散元的原理及计算方法, 并将其用于一个受高烈度地震威胁的滑节理岩体边坡的动力响应分析与动力稳定性评价, 阐明了滑坡动力稳定性分析的必要性。     

单轴下岩石声发射参数的分形特征

通过采集大理岩和红砂岩单轴压缩声发射信号,引入关联分维函数,计算了不同应力水平下的声发射过程时间序列的关联维数,得到了关联分维数与应力水平的变化关系. 结果表明,在同一应力水平下,随着$m$值的增大, AE过程的分形特征越不明显;在不同应力水平下,关联分维数不同,AE过程参数具有不同的自相似和分形程度. 同时发现,声发射过程参数的分形特征具有一定的尺度范围.     

Fracture Mechanics of Corrosion Cracking in Concrete by Acoustic Emission

Nucleation of microcracks can be detected and analyzed by acoustic emission (AE), by which crack kinematics of locations, types and rientations are quantitatively estimated. The procedure was applied to clarify mechanisms of corrosion cracking. Based on fracture mechanics, numerical analysis was conducted by the boundary element method (BEM). Relations between the stress intensity factors and crack types were investigated by BEM solutions. In experiments, four types of crack patterns were nucleated by employing expansive agent. Following the surface crack, the diagonal crack and/or the horizontal crack propagated. The internal crack extended after the surface crack was terminated. Depending on the crack types, contributions of mode-I and mode-II were varied. According to AE results, four crack patterns observed differently consisted of tensile, mixed-mode and shear cracks. It is demonstrated that mechanisms of corrosion cracking in concrete are dominantly of mode-I failure along with a minor contribution of mixed-mode and mode-II.     

An experimental study on fracture mechanical behavior of rock-like materials containing two unparallel fissures under uniaxial compression

Strength and deformability characteristics of rock with pre-existing fissures are governed by cracking behavior. To further research the effects of pre-existing fissures on the mechanical properties and crack coalescence process, a series of uniaxial compression tests were carried out for rock-like material with two unparallel fissures.In the present study, cement, quartz sand, and water were used to fabricate a kind of brittle rock-like material cylindrical model specimen. The mechanical properties of rock-like material specimen used in this research were all in good agreement with the brittle rock materials. Two unparallel fissures(a horizontal fissure and an inclined fissure) were created by inserting steel during molding the model specimen.Then all the pre-fissured rock-like specimens were tested under uniaxial compression by a rock mechanics servocontrolled testing system. The peak strength and Young's modulus of pre-fissured specimen all first decreased and then increased when the fissure angle increased from 0?to 75?.In order to investigate the crack initiation, propagation and coalescence process, photographic monitoring was adopted to capture images during the entire deformation process.Moreover, acoustic emission(AE) monitoring technique was also used to obtain the AE evolution characteristic of prefissured specimen. The relationship between axial stress, AE events, and the crack coalescence process was set up: when a new crack was initiated or a crack coalescence occurred, thecorresponding axial stress dropped in the axial stress–time curve and a big AE event could be observed simultaneously.Finally, the mechanism of crack propagation under microscopic observation was discussed. These experimental results are expected to increase the understanding of the strength failure behavior and the cracking mechanism of rock containing unparallel fissures.     

应力波作用下岩石声发射能量特征

通过霍普金森(SHPB)实验系统,对应力波作用下岩石破坏进行声发射实验,获得了该加载条件花岗岩声发射能量的变化规律.实验结果表明,声发射能量变化呈现出两种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载的末期,能量出现一定的回升,产生“拐点”;Ⅱ型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对Ⅰ型较慢,且不出现“拐点”.通过对岩石破碎块度的分析,得到了声发射峰值能量与岩石破碎分维之间的关系.本文的研究有助于重新寻求应力波下岩石破坏的声发射前兆规律.     

节理岩体能量损伤本构模型与工程应用

本文根据Betti能量互易定理,节理岩体能量损伤演化方程,广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了节理岩体的能量损伤本构模型,并将该模型编制成三维非线性有限元计算程序应用于溪洛渡地下厂房洞室群施工开挖稳定性分析,获得了较为满意的计算结果。     

Loading rate and confining pressure effect on dilatancy,acoustic emission,and failure characteristics of fissured rock with two pre-existing flaws

Investigating the dilatancy, acoustic emission and failure characteristics of fissured rock are significant to ensure their geotechnical stability. In this paper, the uniaxial and triaxial compression experiments with AE monitoring under different loading rates were carried out on fissured rock specimens with the same geometrical distribution of two pre-existing flaws. The dilatancy and AE activity of these specimens were discussed, and the effects of the confining pressure and loading rate on the mechanical parameters and failure characteristics were analyzed. The results show that the exponential strength criterion is more suitable than the Mohr–Coulomb strength criterion to characterize the strength characteristics of fissured rock. The crack evolution and failure characteristics of fissured rock specimens are more complicated than those of intact rock specimens. The failure characteristics of the fissured rock follow the tensile shear coalescence model, crack branching occurs with increasing the loading rate, and the multi-section coalescence model is verified with increasing the confining pressure. The phenomena of stress drop and yield platform usually occur after the dilatancy onset, the specimen does not fail instantaneously, and the propagation and coalescence of cracks cause a sharp increase in the AE signals, circumferential strain, and volumetric strain.     

闪长岩单轴加载过程中声发射和弹性波速度变化规律的研究

为研究闪长岩在单轴加载过程中的声发射和各向波速变化规律,在单轴阶段加载和循环阶段加载条件下,对闪长岩岩样破裂过程中的声发射累计数、不同应力水平不同方向的波速、切线模量、轴向应变速率进行了研究。实验结果表明:(1)随着应力水平的增高,声发射事件数不断增加,在高应力水平(约80%峰值强度)时,声发射累计数急剧增多,随后切线模量出现震荡变化。(2)在加载过程中,压密程度及裂纹扩展方向对波速产生了巨大的影响,导致不同方向波速在不同的应力水平呈现出不同的变化规律,由此可以推测破裂面位置和破裂模式。在较高应力水平下(约60%峰值强度),平行于加载方向的波速趋于稳定,而垂直于加载方向的波速则持续下降,故用垂直于加载方向传播的波速预测岩石的破坏更具可靠性。(3)随着应力的增加,应变速率有逐渐减小的趋势,但临近岩石破裂时无异常变化出现,说明利用变形观测难以预测此类岩石的破坏。以上研究表明,根据纵波波速、声发射累计数和切线模量的变化可以有效预测岩石的破坏。