含填充及未填充裂缝的类岩圆盘试样破坏机制演化的数值研究（英文）

目的：岩石的力学响应和最终破坏模式与破坏机制的演化有关。本文旨在通过光滑粒子流体力学（SPH）方法模拟材料混合破坏行为,探讨含填充及未填充裂缝的类岩圆盘试件加载后的破坏机制演变。创新点：1.在SPH框架中引入混合破坏模型模拟类岩圆盘试样的破坏行为;2.通过SPH数值模拟方法分析圆盘试样的破坏机制演化过程,研究裂纹聚结和裂缝填充的破坏行为。方法：1.在SPH框架下,分别采用张拉损伤模型和Drucker-Prager模型计算材料的张拉破坏和剪切破坏;模拟一系列巴西圆盘试样的破坏行为并与试验结果对比,验证所提SPH方法是否可用于模拟岩石的破坏机制演化。2.通过统计分析,研究不同裂缝倾角和材料属性联合作用对试样宏观破坏形态及力学响应的影响。结论：1.对于含未填充裂缝的圆盘试样,岩桥区裂纹的聚结机制受裂缝倾角和材料性能的组合影响。2.对于含填充裂缝的圆盘试件,当圆盘和填充材料的抗拉强度与粘聚力的比值接近时,试样的张拉损伤的增长速度更快,使得整个试件表现更多的脆性特征。3.随着充填物分布不均匀程度的增加,试样张拉损伤的增长速率降低,且圆盘试样展现出更多的延性特征;当预制裂缝倾角接近45°时,填充物...     

基于数字图像的非均匀岩土材料渗透系数研究（英文）

目的:建立一种较为快速和快速确定非均匀岩土材料渗透系数的方法。创新点:建立了一种可以从图像到数值模型的数字图像方法:通过拍照、CT等手段获取岩土材料的图像,进而通过数值分析确定等效参数。方法:1.将采集到彩色图像从RGB空间转化到HSI空间,选取识别度较高的空间进行二值化处理;2.获取二值化图像后采用邻域标记算法标记,结合本文提出的算法提取边界(图9和10);3.结合边界修正算法对锯齿状边界进行修正(图11);4.确定表征细观几何模型(图12和表1);5.绘制网格开展数值分析,确定宏观参数。结论:1.基于数值图像的非均匀岩土材料渗透系数确定方法可以较为准确地估算渗透系数,可以为工程设计提供初步依据。2.非均匀岩土材料具有明显的尺寸效应,随着尺寸增加,渗透率的变化逐渐趋于稳定;当材料视为岩石和土体的二元介质时,两种性质差异在10倍以内对宏观特性的影响较大,大于10倍之后影响减弱。3.岩土材料渗透率随着内部块石含量的增加而减小,但是内部块石的形态对渗透率也有一定的影响。     

圆柱体花岗岩单轴压缩实验的数值模拟

确定岩石损伤张量,并对有效应力进行对称化,从而得出节理损伤岩体的本构关系。借鉴弹塑性渐进退化方法的思想,在有限元方程中实现弹塑性和损伤耦合,数值模拟圆柱体花岗岩单轴压缩实验的破坏过程,模拟的较好。     

离散元法模拟研究加载路径对预制裂缝岩石试样裂纹扩展特性的影响（英文）

目的：结构面是岩体的重要组成部分,其对岩体工程结构的变形和失稳有着重要的影响。本文旨在探究加载路径和围压对预制裂缝试样裂纹扩展和强度的影响,揭示不同加载路径下含预制裂缝岩石试样的微观破坏机理。创新点：1.设计可以模拟各种工程场景（如隧道、边坡开挖）下应力状态变化的加载路径,包括轴向加载试验、围压卸载试验和围压卸载伴随的轴向加载试验;2.研究试样裂纹扩展路径及其与加载路径和围压的关系;3.通过对局部应力集中和裂纹类型的分析,探讨影响断裂过程的微观机制。方法：1.基于试验数据,开展离散元模拟参数校准,实现对岩石试样宏观力学参数的再现（表3和图4）;2.基于校准获得微观参数,并开展三种加载路径下预制裂缝岩石试样数值模拟试验,获得加载路径与围压对试样裂纹扩展的影响（图5～12）;3.通过分析试样加载过程的应力分布以及微裂纹类型的占比,获得预制裂缝试样裂纹扩展的微观机理（图13～16）。结论：1.预制裂缝岩石试样加载过程中,裂纹扩展路径与轨迹受围压与加载路径的共同作用,围压的增大降低了加载路径对裂纹扩展的影响。2.加载过程中,不同类型裂纹的产生主要与不同局部应力的集中有关;在轴向加载条件下,会出...     

PFC数值模拟方法在岩石力学实验教学中的应用

岩石力学是土木工程、水利工程、地质工程等专业中非常重要的一门课程。通过分析传统岩石力学实验教学手段的局限性,将PFC数值模拟技术融入到岩石力学实验教学中。采用PFC软件模拟了岩石三轴压缩应力—应变全过程曲线和内部裂纹的扩展情况,表明PFC数值模拟技术在岩石力学实验教学中观察岩石破裂机理及其破坏演化过程等方面具有优越性,可弥补传统实验教学手段的不足,提高学生对岩石变形破坏过程的理解,加深学生对岩石破坏机理的认识,激发学生对岩石力学实验的兴趣,培养学生的创新精神。     

真实破裂过程分析软件与多物理场耦合软件结构力学模块对比研究

简要介绍了真实破裂过程分析软件系统(RFPA)和多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Mul-tiphysics),并分别运用这两个软件系统对受拉应力作用下带孔平板试件和共心圆轴试件在热应力作用下的受力变形特征进行了数值模拟对比分析,指出真实破裂过程分析软件系统的特色在于对材料破坏过程的分析处理,而多物理场耦合数值模拟软件系统的特色在于对于复杂多场耦合问题的求解,将这两种软件系统各自的特色特点结合起来应用于材料破坏过程中的多场耦合问题分析是以后应当努力发展的方向.     

基于盘形滚刀破岩模型的数值试验分析

针对室内试验研究盘形滚刀破岩过程的成本高、周期长、不便于重复性教学演示的问题,可采用数值试验方法作为辅助或替代,揭示滚刀破岩机制、优化滚刀结构和切削参数。该文使用显式动力学数值方法,结合有限元和光滑粒子流体动力学,建立盘形滚刀切削岩石的三维数值试验模型,采用基于Rankine失效准则的摩尔-库伦弹塑性本构模型开展缩尺的滚刀线性切削试验,验证数值试验模型的可靠性。以双刀顺次回转破岩模型为例,分析了岩石破裂过程与滚刀载荷曲线。研究表明：在盘形滚刀切削下,岩石表面形成了条形破碎槽,同时在滚刀两侧及下方出现裂纹;随着裂纹延伸至岩石表面,许多小块的岩碴被剥离;使用数值试验方法分析盘形滚刀破岩过程,可以清晰地模拟密实核传力演化、裂纹萌生扩展、岩碴剥离飞溅、载荷阶跃波动等物理现象,有助于学生深入理解盘形滚刀破岩机制。     

岩土材料的微观结构和微观力学（英文）

岩土材料（如黏土、砂土、岩石和混凝土等）在颗粒尺度上均具有独特且明显的微观结构（如组构、粒径、颗粒形状、矿物组成、接触模式和内部孔隙等）。这些颗粒尺度的微观结构较难直接观察,但对岩土材料的宏观物理力学行为（如剪切强度、压缩性和渗透性等）有着显著的影响。近年来,各种新型岩土工程材料（如纤维增强土和生物加固土）表现出更加复杂的微观结构。岩土材料微观结构对材料工程性质的影响促使人们采用更加先进的理论、实验和数值方法对其进行探索,从而大大加深了人们对宏微观力学的认识与理解。为分享岩土材料微观结构和微观力学的最新研究进展,本专辑收集了在该研究领域具有代表性的研究成果,涵盖了颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用、X射线计算机断层扫描观测技术及其应用、颗粒破碎和颗粒形状的影响、岩石裂隙扩展等方面。希望本专辑能加强读者对各个研究领域的理解,并进一步推动多场多尺度问题的应用和发展。     

碎石土直剪试验三维数值模拟

室内直剪试验应用较为广泛,但其试验过程以及结果处理存在一定的局限性。运用国际大型岩土工程数值计算软件FLAC3D,以室内大型剪切试验为依据,建立直剪试验三维数值模型,进而直观展现了碎石土试样内部的随着剪切推动的应力变化规律,并对比有无考虑了剪切盒侧壁摩擦力的情况。结果表明:随着剪切过程的进行,剪切应力刚开始随着剪切位移增加而急剧爬升达到"峰值"(试样破坏)逐步趋于稳定;剪应力云图由最初的"耳状"以剪切面为核心向周围扩展;剪切盒侧壁摩擦力对测试结果的影响不容忽视。直剪试验三维数值模拟研究是对室内直剪试验的一个有效补充。     

网格不匹配度对计算精度影响研究

采用理论分析、解析、数值模拟等多种手段,研究网格不匹配度对计算精度的影响.设计了一种具有精确解的多次激波冲击压缩计算模型,使用二维弹塑性流体动力学有限元程序进行了大量的数值模拟.通过比对数值模拟结果与精确解的差异,半定量地给出了网格不匹配度对计算精度的影响,其结果对复杂物理计算中网格最大不匹配度的确定有一定的指导意义.     

数值模拟结果演示推进岩石力学课堂教学

岩石力学课程的理论性比较强,单靠书面的讲解,学生难以深刻领会,需要丰富授课资料。通过对课程中的相关问题进行数值模拟并将结果演示于教学中,有助于课程教学效果的提升,使学生了解到更多岩石力学领域的知识和信息,进一步加深了对岩石力学概念和相关知识点的认识和理解;通过数值模拟结果演示资料的补充,极大改善了课程内容难懂、难以深入和授课资料不丰富、不直观、不全面等问题,极大地激发了学生学习和投身科研的兴趣,使学生理论水平和创新思维大幅提高,并开阔学生的视野;数值模拟也是岩石力学实验教学的有益补充,为实验教学打下良好的基础。     

混凝土粘结质量对其多轴强度影响的数值分析

以测试混凝土抗压强度的试件为数值分析的对象,考虑试件内部存在贯穿整个试件1-2mm厚的细砂、中砂或粗砂形成的薄弱层缺陷,使得骨料与胶凝材料粘结不充分,针对混凝土的二、三轴强度,进行数值模拟分析,分析结果表明：由于缺陷的存在,不只是降低了材料的强度,同时也改变了分析试件的应力状态.当胶凝砂砾石材料施工方法不当时,骨料与胶凝材料粘结不充分现象是较难避免的,不容忽视;通过试件粘结质量对混凝土影响的分析,提供研究胶凝砂砾石材料筑坝问题的一种思路.     

不同应力比对脆性材料断裂的影响研究

应用材料破坏分析软件MFPA2D(Material Failure Process Analysis),模拟了平面应力下双向应力比不断变化条件下脆性材料的不同破坏失稳过程,以玻璃为例,重点研究了玻璃在复杂应力状态下不同双向应力比对脆性材料裂纹扩展和断裂的影响.研究结果表明,裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高.该结果证明双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响.通过将理论分析得出的应变失效准则与数值模拟研究结果及试验结果的比较研究表明,应变失效准则作为脆性材料在双向应力下的断裂准则是可行的.     

上软下硬地层隧道围岩渐进破坏机制分析

软硬结构面的存在阻断了岩体性质的连续性,结构面倾角的位置和角度会造成多种破坏模式。文章对上软下硬地层隧道的破坏过程和破坏模式进行数值模拟研究。结果表明:分界结构面倾角在30°～75°时隧道稳定性较差;围岩变形破坏特征在对称模式下,围岩位移、破坏区和塑性区呈对称分布;在非对称模式下,结构面倾角和围岩的力学参数决定了破坏区的位置和范围,破坏区的位置主要受结构面倾角的影响。     

井工采区不同开采时序对边坡滑移破坏机制的影响

以紫金山金铜矿开采为工程背景,根据矿山规划设计,露采至+100 m水平后进行井工开采。为了研究井工开采对露天边坡的影响,采用FLAC3D建立数值模型,研究采区位于边坡体不同空间位置对边坡稳定性产生的不同作用机制,分析露天边坡和采空区围岩位移演化规律、应力分布规律。数值模拟结果表明:当井采区位于边坡坡脚区时,井工开采直接破坏了坡脚区边坡岩体,坡面整体向坡脚处滑移,最大水平位移达到2.21 m,最大竖向位移达到1.67 m;当井采区位于坡中区开采时,其开采破坏了坡中边坡岩体,可能导致上部坡体失稳破坏;当井采区位于坡外区时,由于采区上部岩层沉陷导致边坡整体坡角减小,从而有利于边坡整体稳定性。对比3种开采位置,采区位于坡脚时对边坡稳定性最不利,采区处于坡外时采动效应对边坡稳定性的影响最低。     

强夯振动对CFG桩复合地基影响研究

通过数值模拟和理论分析等手段,利用有限元分析软件ADINA建立了强夯加固吹填土地基动力有限元分析模型,分别在1 000kN.m,2 000kN.m,3 000kN.m和4 000kN.m的夯击能作用下,通过改变夯击点与CFG桩之间的距离,确定强夯对CFG桩的破坏效应的影响因素,确定其安全距离,分析强夯振动下的破坏过程及破坏形态。     

岩石与岩体力学参数估算虚拟仿真实验

根据岩石力学的基本原理开发了岩石与岩体力学参数估算的虚拟仿真实验软件,为学生提供虚拟仿真实验。学生通过该软件可进行岩石力学实验、岩石试件物理力学参数分析、岩体结构面识别、岩体力学参数分析的虚拟仿真实验,进而掌握岩石及岩体力学参数的估算方法。该虚拟仿真实验不仅是传统室内岩石力学实验的有益补充,也是对岩体力学参数测定试验的尝试性拓宽,有利于提高学生的学习效果。     

基于物理元胞自动机的岩石破坏模拟

为了分析岩石材料的非均质性对其破坏演化的影响,根据元胞自动机理论,从能量的角度建立了一种能够从细观层次上对岩石破坏演化进行模拟的物理元胞自动机模型(Mh-PCA模型),模型引用的Weibull随机分布函数对材料的非均质性进行描述.运用该模型,对m分别为1,5,10,15四种不同均质度材料的破坏模式及其破坏过程中的声发射现象进行了模拟分析.结果表明:材料的非均质性对其破坏有重要的影响,均质度越高,破坏过程中的分支裂纹越少,声发射也越集中.物理元胞自动机理论为岩石的破坏研究提供了一种新的研究思路.     

含水率对厚土坡变形影响的FLAC^3D数值模拟研究

分析了不同含水量下黏聚力和内摩擦角的变化规律．通过选取不同含水量下的黏聚力和内摩擦角参数值建立数值模拟模型,模拟厚土坡损伤破坏的过程,以探求降雨入渗作用下厚土边坡的破坏机理。结果表明,含水率对边坡变形有较大影响．含水率对厚土坡变形的影响规律与其对黏聚力的影响规律相反,随含水率逐渐增大,厚土坡向临空面的变形呈先减小后增大的特征。     

Excavation-induced microseismicity: microseismic monitoring and numerical simulation

The volume of influence of excavation at the right bank slope of Dagangshan Hydropower Station, southwest China, is essentially determined from microseismic monitoring, numerical modeling and conventional measurements as well as in situ observations. Microseismic monitoring is a new application technique for investigating microcrackings in rock slopes. A microseismic monitoring network has been systematically used to monitor rock masses unloading relaxation due to continuous excavation of rock slope and stress redistribution caused by dam impoundment later on, and to identify and delineate the potential slippage regions since May, 2010. An important database of seismic source locations is available. The analysis of microseismic events showed a particular tempo-spatial distribution. Seismic events predominantly occurred around the upstream slope of 1180 m elevation, especially focusing on the hanging wall of fault XL316-1. Such phenomenon was interpreted by numerical modeling using RFPA-SRM code (realistic failure process analysis-strength reduction method). By comparing microseismic activity and results of numerical simulation with in site observation and conventional measurements results, a strong correlation can be obtained between seismic source locations and excavation-induced stress distribution in the working areas. The volume of influence of the rock slope is thus determined. Engineering practices show microseismic monitoring can accurately diagnose magnitude, intensity and associated tempo-spatial characteristics of tectonic activities such as faults and unloading zones. The integrated technique combining seismic monitoring with numerical modeling, as well as in site observation and conventional surveying, leads to a better understanding of the internal effect and relationship between microseismic activity and stress field in the right bank slope from different perspectives.