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Nonlinear constitutive models of rock structural plane and their applications

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第3期16卷 790-806页

作者： Wenlin Feng Shuangjian Niu chunsheng qiao Dujian Zou School of Civil and Environmental Engineering Harbin Institute of TechnologyShenzhenChina Shenzhen Municipal Engineering Corporation Shenzhen518000China School of Civil Engineering Beijing Jiaotong UniversityBeijing100044China

Structural planes play an important role in controlling the stability of rock engineering,and the influence of structural planes should be considered in the design and construction process of rock *** this paper,mechanical properties,constitutive theory,and numerical application of structural plane are studied by a combination method of laboratory tests,theoretical derivation,and program *** test results reveal the change laws of various mechanical parameters under different roughness and normal *** the pre-peak stage,a non-stationary model of shear stiffness is established,and threedimensional empirical prediction models for initial shear stiffness and residual stage roughness are *** nonlinear constitutive models are established based on elasto-plastic mechanics,and the algorithms of the models are developed based on the return mapping *** to a large number of statistical analysis results,empirical prediction models are proposed for model parameters expressed by structural plane characteristic ***,the discrete element method(DEM)is chosen to embed the constitutive models for practical *** running programs of the constitutive models have been compiled into the discrete element model *** comparison results between the proposed model and the Mohr-Coulomb slip model show that the proposed model can better describe nonlinear changes at different stages,and the predicted shear strength,peak strain and shear stiffness are closer to the test *** research results of the paper are conducive to the accurate evaluation of structural plane in rock engineering.

关键词： Structural plane Engineering stability Roughness Normal stress Elasto-plastic constitutive model Discrete element method

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数值流形方法覆盖自动剖分算法的几点改进

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北京交通大学学报 2008年第1期32卷 54-58页

作者：焦健乔春生北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

分析了一种用于数值流形方法的覆盖自动剖分算法,并对其加以改进和扩充,令其能够适用于复杂的材料边界条件和具有更好的通用性.应用算例表明,改进后的算法对任意边界条件的连续和非连续问题都能够进行覆盖系统的自动剖分.

关键词：计算机应用数值流形方法数学覆盖物理覆盖自动剖分

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单节理岩体强度试验研究

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中国铁道科学 2007年第4期28卷 34-39页

作者：张志刚乔春生李晓北京交通大学土木建筑与工程学院北京100044 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

从理论和经验两方面阐述单节理岩体的强度特征及其确定方法,结合实际的隧道工程岩体,对加工制备的5组完整岩石和含单节理岩石样品进行室内轴向压缩强度试验,应用基于细观离散的三维颗粒流程序PFC3D仿真室内试验结果,从而确定出数值试验... 详细信息

从理论和经验两方面阐述单节理岩体的强度特征及其确定方法,结合实际的隧道工程岩体,对加工制备的5组完整岩石和含单节理岩石样品进行室内轴向压缩强度试验,应用基于细观离散的三维颗粒流程序PFC3D仿真室内试验结果,从而确定出数值试验中相应岩石和节理的基本细观输入参数。在此基础上,通过对实际工程进行地质调查构建节理岩体结构的理想地质模型,输入岩石与节理的基本细观参数,实现对大尺度单节理岩体进行数值预测的强度试验,并获得实际工程岩体的应力—应变关系及相关的强度特征。试验研究表明:节理的存在降低岩体的强度,改变岩体的延性;岩体中同组的不同节理间存在相互的强度弱化作用,作用的结果导致岩体的总体强度下降,因此简单地分步应用单节理理论预测含多节理的岩体强度是不可行的;基于岩体结构,应用室内试验与数值试验相结合确定大型节理岩体强度的方法是可行的。

关键词：单节理岩体强度室内试验数值试验岩工工程

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滑坡动力失稳定量分析

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中国铁道科学 2019年第2期40卷 9-15页

作者：王翔乔春生马晓鹏北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

采用FLAC3D软件进行滑坡动力时程数值分析,对滑带单元的瞬时应力进行分解,得到滑带单元上垂直滑带的正应力和平行滑动方向的剪应力,据此定义滑带点安全系数以及滑坡整体安全系数。通过滑带点安全系数的动态空间分布特征以及滑坡整体安... 详细信息

采用FLAC3D软件进行滑坡动力时程数值分析,对滑带单元的瞬时应力进行分解,得到滑带单元上垂直滑带的正应力和平行滑动方向的剪应力,据此定义滑带点安全系数以及滑坡整体安全系数。通过滑带点安全系数的动态空间分布特征以及滑坡整体安全系数的动力时程演化特征,定量分析滑坡的动力失稳。青海玉树结古镇至巴塘机场公路2#滑坡实例分析结果表明:地震作用下滑坡的动力失稳机理为推动式,与自重作用时一致;但地震作用明显降低滑坡的稳定性,且以滑坡中前部最为明显,最大降幅约30%;计算结果与滑坡的宏观变形特征相吻合,滑体中前部西杭引水渠附近震后出现密集的裂缝带,正是由于地震作用导致该部位滑带稳定性快速衰减所致。

关键词：滑坡滑带失稳机理点安全系数地震定量分析

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节理岩体抗力系数的各向异性特征与计算方法

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哈尔滨工业大学学报 2019年第2期51卷 90-99页

作者：涂洪亮乔春生朱举北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

隧道设计的荷载-结构法中,围岩抗力系数是影响衬砌内力与变形的重要参数,节理的存在会导致抗力系数的各向异性,然而,目前工程中较少考虑抗力系数的各向异性问题.以大连地铁2号线兴工街站隧道工程为背景,针对含有两组贯通节理岩体抗力系... 详细信息

隧道设计的荷载-结构法中,围岩抗力系数是影响衬砌内力与变形的重要参数,节理的存在会导致抗力系数的各向异性,然而,目前工程中较少考虑抗力系数的各向异性问题.以大连地铁2号线兴工街站隧道工程为背景,针对含有两组贯通节理岩体抗力系数的各向异性分布特征,采用正交试验和离散元数值模拟,分析岩石弹性模量、泊松比、节理间距、节理倾角、节理法向刚度等10个影响因素作用下抗力系数的分布规律.结果表明:洞周围岩抗力系数分布曲线呈椭圆形,长轴沿两组节理夹角角平分线方向;方差分析中5%水平下的显著性影响因素依次为节理法向刚度、岩石弹性模量、节理间距与节理倾角;各向异性系数随洞径与节理间距比值的增大呈现出先增大后减小的规律,当比值趋近于零或无穷大时,各向异性系数收敛于1.基于上述分析结果,进一步推导出围岩抗力系数椭圆分布函数的理论计算公式,并验证公式的准确性.工程实例计算表明,围岩抗力系数的各向异性对衬砌轴力的影响较小,对弯矩的影响显著.

关键词：节理岩体围岩抗力系数各向异性正交试验方差分析椭圆分布函数

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贯通结构面抗剪强度尺寸效应研究

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北京交通大学学报 2013年第4期37卷 94-97页

作者：刘勇乔春生北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

目前,岩土工程界普遍采用Barton和Bandis建议的公式,计算具有一定规模岩体结构面的抗剪强度,但经分析发现并不适用于规模大于5m的结构面.因此,借助二维离散元软件UDEC,提出了一种基于现场实测结构面粗糙度系数JRC(长10 cm)和结构壁面回... 详细信息

目前,岩土工程界普遍采用Barton和Bandis建议的公式,计算具有一定规模岩体结构面的抗剪强度,但经分析发现并不适用于规模大于5m的结构面.因此,借助二维离散元软件UDEC,提出了一种基于现场实测结构面粗糙度系数JRC(长10 cm)和结构壁面回弹试验的结构面抗剪强度尺寸效应分析方法,并通过实例验证了方法的准确性.

关键词：岩石力学结构面抗剪强度尺寸效应

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岩石工程数值分析中选择岩体力学参数的神经元网络方法

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岩石力学与工程学报 2000年第1期19卷 64-67页

作者：乔春生张清黄修云北方交通大学土木建筑工程学院北京100044

讨论了确定岩石工程数值分析中所需输入的岩体力学参数的人工神经元网络法，这种方法的优点是可以考虑较多非定量的岩体地质描述。应用实例表明，计算结果与实测结果比较一致。

关键词：岩体力学参数数值分析神经元网络

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含一组贯通节理岩体强度的各向异性分析

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中国矿业大学学报 2017年第5期46卷 1073-1083页

作者：韩智铭乔春生涂洪亮北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

节理岩体是一种连续和非连续介质共存的地质体,其强度具有显著的各向异性,为了研究岩体强度的各向异性特征,基于能统一处理连续和非连续问题的数值流形方法(NMM),编制弹塑性NMM计算程序,并对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩... 详细信息

节理岩体是一种连续和非连续介质共存的地质体,其强度具有显著的各向异性,为了研究岩体强度的各向异性特征,基于能统一处理连续和非连续问题的数值流形方法(NMM),编制弹塑性NMM计算程序,并对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟.计算结果表明:当节理倾角较小岩体不沿节理滑移破坏时,岩体强度仍会受到节理的削弱而降低;岩体强度-节理倾角曲线呈现出非对称的"勺形";岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数变化规律;节理间距对岩体强度的影响具有各向异性;岩体强度的各向异性随着围压增大而减弱.通过对数值计算结果进行回归分析,基于新的节理分布参数,提出适用于含一组贯通节理岩体的强度预测模型.该模型综合考虑了节理倾角、节理间距和围压对岩体强度的影响,可更好地为地下工程提供技术支持.

关键词：岩体强度各向异性贯通节理数值流形方法强度预测模型节理分布参数

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自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

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岩石力学与工程学报 2014年第2期33卷 296-308页

作者：郭佳奇刘希亮乔春生河南理工大学河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放实验室河南焦作454003 河南理工大学土木工程学院河南焦作454003 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明:饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归... 详细信息

为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明:饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明:饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能eU及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加eU/U逐渐下降,峰后eU释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的eU释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。

关键词：岩石力学岩溶灰岩饱水力学性质能量特征耗散能

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弹塑性数值流形方法在边坡稳定分析中的应用

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工程地质学报 2009年第1期17卷 119-125页

作者：焦健乔春生北京交通大学北京100044

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,... 详细信息

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。

关键词：数值流形方法弹塑性分析程序开发不连续变形岩质边坡

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