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基于SED准则的近场动力学及岩石类材料裂纹扩展模拟

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岩土工程学报 2021年第6期43卷 1109-1117页

作者：马鹏飞李树忱袁超周慧颖王曼灵王修伟山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 山东大学土建与水利学院山东济南250061

在近场动力学理论的基础上,引入反应岩石类材料破坏特性的应变能密度(SED)准则,同时利用服从Weibull分布的临界破坏条件来描述岩石的异质性,弥补了近场动力学方法在模拟岩石类材料裂纹扩展时无法反应岩石应变软化特性及异质性的不足。... 详细信息

在近场动力学理论的基础上,引入反应岩石类材料破坏特性的应变能密度(SED)准则,同时利用服从Weibull分布的临界破坏条件来描述岩石的异质性,弥补了近场动力学方法在模拟岩石类材料裂纹扩展时无法反应岩石应变软化特性及异质性的不足。利用基于SED准则的近场动力学方法模拟了含有不同倾角单裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展过程,分析了翼型裂纹、次生共面剪切裂纹及反翼型裂纹扩展的机理。利用提出的方法模拟了含双平行裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展过程,结果表明预制双平行裂纹岩石破坏可分为3个阶段:翼型裂纹第一次贯通;剪切裂纹第二次贯通形成闭合的破坏环;剪切裂纹形成宏观裂纹引发破坏。最后将本文模拟的结果与前人室内试验及数值模拟的结果对比,以验证方法的有效性,通过对比发现提出的理论可较好的模拟岩石类材料裂纹扩展的过程有着很好的应用前景。

关键词：岩石破裂近场动力学裂纹扩展 SED准则

岩石倾斜裂隙与水平裂隙扩展贯通试验及数值模拟研究

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岩土力学 2019年第11期40卷 4533-4542,4553页

作者：魏超朱维申李勇王书刚董振兴蔡卫兵山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 山东大学齐鲁交通学院山东济南250002

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙... 详细信息

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙后裂纹的扩展路径和方向发生明显改变,试样最终发生劈裂破坏。侧压的增大抑制了倾斜裂隙端部翼裂纹和次生裂纹的萌生,高侧压下翼裂纹没有贯穿水平裂隙,试样破坏模式变成了剪切破坏。水力耦合作用下,单轴压缩时倾斜裂隙翼裂纹尖端的最大主应力分布范围随着内水压的增大逐渐变小,翼裂纹的起裂应力、起裂角和峰值强度逐渐降低,试样发生劈裂破坏。通过数值模拟得到的裂纹扩展贯通规律与试验结果具有良好的一致性,开展了不同内水压时倾斜裂隙扩展贯通无水压的水平裂隙的数值分析,随着内水压的增加倾斜裂隙首先萌生共面裂纹随后产生翼裂纹,翼裂纹扩展贯通水平裂隙时扩展路径同样会发生改变。水力耦合作用下侧压也会抑制翼裂纹的萌生,随着内水压的增大减弱了侧压对倾斜裂隙翼裂纹的抑制作用。

关键词：倾斜裂隙和水平裂隙裂隙扩展试验内水压数值模拟

基于多元监测信息融合分析的突水灾害状态判识方法

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岩土力学 2018年第7期39卷 2509-2517页

作者：成帅李术才李利平石少帅周宗青袁永才山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

突水灾变演化过程中伴随着防突结构内的岩土体的信息变化,通过对潜在突水通道围岩多物理场信息进行深度融合分析,揭示了多元信息的逻辑共生关系,建立了突水演化状态判识的理论方法。从岩体渐进破坏突水与充填结构失稳突水两种典型的突... 详细信息

突水灾变演化过程中伴随着防突结构内的岩土体的信息变化,通过对潜在突水通道围岩多物理场信息进行深度融合分析,揭示了多元信息的逻辑共生关系,建立了突水演化状态判识的理论方法。从岩体渐进破坏突水与充填结构失稳突水两种典型的突水相似模型试验入手,建立了多元监测信息与量化表征函数的关联性。基于主成分分析理论揭示了多参量间的逻辑共生关系,确定了围岩多物理场信息对突水灾害的影响权重,这为突水灾害监测设计与预警提供了理论依据。结合函数拟合曲线中表征函数变化趋势发生转变的极值点与驻点,建立了突水灾害演化状态综合判识方法,最终将两种突水类型的演化阶段划分为:平静期、发展期、突变期和灾后期,并提出了任意时刻下突水灾害发生概率的能量判别方法,该理论方法为隧道及地下工程突水灾害监测预警提供了参考。

关键词：突水多元信息状态判识主成分分析

波形钢腹板箱梁体外预应力隔板式转向结构试验研究

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桥梁建设 2018年第3期48卷 17-22页

作者：李树忱董旭彭元诚山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 中交第二公路勘察设计研究院有限公司湖北武汉430057

为了解大跨波形钢腹板箱梁体外预应力横隔板式转向结构的受力性能,以港珠澳大桥连接线工程前山河特大桥主桥[(90+160+90)m波形钢腹板连续箱梁桥]为依托,采用现场试验与有限元分析相结合的方法,研究转向结构的受力特点、应力分布及易开... 详细信息

为了解大跨波形钢腹板箱梁体外预应力横隔板式转向结构的受力性能,以港珠澳大桥连接线工程前山河特大桥主桥[(90+160+90)m波形钢腹板连续箱梁桥]为依托,采用现场试验与有限元分析相结合的方法,研究转向结构的受力特点、应力分布及易开裂区域,并提出设计构造建议。结果表明:横隔板式转向结构的竖向受力主要为转向器上部区域受压、下部区域受拉;横隔板式转向结构配筋受拉计算时应考虑1.25倍的体外预应力相互影响系数;转向装置对横隔板的局部影响集中在转向孔道直径的1倍范围内;混凝土抗拉面积应按1倍转向孔道尺寸计算,转向孔道水平间距应不小于2倍转向孔道直径;在孔道附近设置环向钢筋、增加横隔板与箱梁底板连接部位的宽度可降低局部拉应力。

关键词：箱梁桥波形钢腹板体外预应力横隔板式转向结构力学性能现场试验有限元法

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引红济石引水隧洞围岩力学特性研究

岩土力学 2019年第9期40卷 3435-3446页

作者：雷江陈卫忠李翻翻于洪丹马永尚谢华东王富刚中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 兖州煤业股份有限公司东滩煤矿山东邹城273500

引红(红岩河)济石(石头河)引水隧洞围岩断层带破碎松软,岩石强度低,自稳能力差,易产生大变形。以上不良地质条件使其隧洞施工过程中经常会遇到TBM卡机等一系列特殊问题。针对引红济石引水隧洞施工中存在的软岩隧洞大变形问题,首先开展了... 详细信息

引红(红岩河)济石(石头河)引水隧洞围岩断层带破碎松软,岩石强度低,自稳能力差,易产生大变形。以上不良地质条件使其隧洞施工过程中经常会遇到TBM卡机等一系列特殊问题。针对引红济石引水隧洞施工中存在的软岩隧洞大变形问题,首先开展了X射线衍射、崩解试验,分析了试样的组成成分、黏土矿物含量对崩解性影响;再通过一系列单轴压缩试验、三轴压缩试验和蠕变试验研究了该类岩石不同应力条件下的变形破坏特征及蠕变特性。试验结果表明,该类岩石含有大量的黏土矿物(33.49%),对水比较敏感,遇水膨胀易崩解,导致岩体软化;试样具有较大塑性压缩变形,其应力-应变曲线为应变强化型,且没有明显的峰值。基于试验研究成果和现场监测数据,对该软岩隧洞大变形机制进行了分析,并提出了在围岩与管片之间安装聚氨酯缓冲层的新型支护方案,通过数值计算对支护方案的合理性进行了验证。分析结果表明:聚氨酯缓冲层可以很好地吸收围岩形变压力,避免应力集中带来的管片错台,从而大大减小管片上破坏区的产生。研究成果对该类岩体中隧洞的设计施工以及长期稳定性分析具有重要的参考作用。

关键词：破碎软岩力学特性大变形蠕变试验支护技术

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一种模拟滑坡蠕滑变形的装置及其应用

遵义师范学院学报 2021年第6期23卷 98-100,112页

作者：李生红何文刚袁大雄遵义师范学院土木工程系贵州遵义563006

岩土工程物理模拟是土木工程重要的研究方法,得到了土木工程师的青睐,但如何利用大变形的研究来解决实际的坡体演化一直是工程师们关注的焦点,且目前相关的研究仍十分薄弱。同时区域灾害滑坡变形研究表明,在相似比例条件下沙箱实验是研... 详细信息

岩土工程物理模拟是土木工程重要的研究方法,得到了土木工程师的青睐,但如何利用大变形的研究来解决实际的坡体演化一直是工程师们关注的焦点,且目前相关的研究仍十分薄弱。同时区域灾害滑坡变形研究表明,在相似比例条件下沙箱实验是研究大尺度构造变形的有效手段之一,对滑坡蠕滑中具体演变过程的研究仍然具有重要的指导意义。为此,作者在区域地质分析基础上设计了一种模拟滑坡蠕滑变形的装置,对黔北及西南地区的滑坡机制进行研究和相关分析。试验发现,地层倾角和坡体结构对滑坡蠕滑的形成构成了差异的变形结果,地层倾角较高的滑坡变形速度较快,而地层倾角较小的滑坡则以缓慢的蠕滑变形为主。在扩展模式上,地层倾角较小的变形以牵引式滑动为主,而地层倾角较高的变形则以推动式滑动为主。

关键词：滑坡装置设计蠕滑变形演化物理模拟

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承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验

岩土力学 2018年第9期39卷 3164-3173页

作者：李术才潘东东许振浩李利平林鹏袁永才高成路路为山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 交通运输部公路科学研究院北京100088

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。... 详细信息

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。针对隧道开挖方式与溶洞发育尺寸,开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程模拟试验,研究结果表明:隧道施工过程突水灾害是爆破施工扰动与承压含水溶洞渗透破坏双重作用的结果;受爆破开挖扰动影响,隔水岩体内部裂隙发育密集,重点监测区域累计位移高出人工钻凿开挖27%,应力释放率达23.5%,稳定渗透压力仅为初始压力的36.7%,外加水压加载至40 k Pa约15 min后最先突水;相同水压加载条件下,溶洞尺寸越大对隔水岩体渗流场、位移场、应力场的影响越大,位移释放率越大、渗透压力整体水平越低,最终在应力和渗流作用下优势导水通道形成并扩展率先发生突水;承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程经历了群裂隙的萌生扩展、优势导水通道的形成、隔水岩体破裂失稳3个阶段。试验结果对隧道突水机制的研究和灾害防治具有一定的指导意义。

关键词：岩溶隧址区隔水岩体突水灾变演化爆破施工扰动破裂失稳

采动作用下含深大岩溶结构面坡体裂隙扩展及变形破坏规律

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岩土工程学报 2022年第8期44卷 1397-1405,I0004,I0005页

作者：杨忠平张益铭蒋源文李滨崔芳鹏重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400045 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心(重庆) 重庆400045 中国地质科学院地质力学研究所北京100081 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,... 详细信息

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,揭示了地下开采扰动下覆岩裂隙扩展演化规律,阐明了深大结构面对边坡稳定性的控制作用,讨论了坡体变形的破坏模式。结果表明:地下开采扰动对斜坡体稳定性的影响主要表现在地下采动卸荷引起覆岩应力重分布、山体变形诱使裂隙扩展;地下采空后,斜坡体在二维剖面上形成类似“悬臂梁结构”,坡体原有深大结构面控制坡体稳定性;下行开采条件下,采空范围在断层之前,山体高度较小,在自重作用下“悬臂梁结构”岩层向断层及采空区方向协同变形,不会产生大量离层裂隙,煤层顶板仅发生断裂坍塌并充填采空区,采空至断层后,左侧山体已发生塌落,山体应力重分布,覆岩在自重作用下形成大量张拉裂隙,直接顶塌落高度与裂隙带高度也随采空区范围增加而增加。其变形破坏演化过程可概化为:地下开采卸荷–应力重分布→覆岩断裂下沉–裂隙扩展→坡体裂隙贯通–悬臂破坏→坡中变形挤出–岩桥剪断→坡体整体失稳破坏。

关键词：采动作用深大岩溶裂隙破坏模式 UDEC 悬臂梁相似模型试验边坡

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不同冷却方式对花岗岩力学损伤特征影响

煤炭学报 2021年第S1期46卷 187-199页

作者：邓龙传李晓昭吴云许振浩黄震姜春露袁东明南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000 安徽大学资源与环境工程学院安徽合肥230601

通过开展高温作用后的花岗岩在自然冷却与遇水冷却2种条件下的巴西劈裂声发射监测试验,研究了花岗岩不同冷却方式下的物理力学性质、声发射(AE)特征及其内部矿物和微观结构特征变化规律。研究结果表明:在2种冷却方式下花岗岩的抗拉强度... 详细信息

通过开展高温作用后的花岗岩在自然冷却与遇水冷却2种条件下的巴西劈裂声发射监测试验,研究了花岗岩不同冷却方式下的物理力学性质、声发射(AE)特征及其内部矿物和微观结构特征变化规律。研究结果表明:在2种冷却方式下花岗岩的抗拉强度、P波波速、弹性模量以及泊松比均随温度的升高而呈现下降的趋势,且遇水冷却时下降幅度更大,其中在500~600℃时由于石英发生相变,使得花岗岩的物理力学性质发生显著变化;花岗岩破坏过程中振铃计数特征、能量演化特征以及声发射b值变化规律与应力曲线的各个阶段基本吻合,遇水冷却时的声发射活动性更强且声发射b值低于自然冷却时的试样,表明遇水冷却时花岗岩主要以大尺度裂纹破坏为主;花岗岩在低温时呈拉伸式破坏,中温时呈现拉伸剪切混合破坏,高温时以拉伸破坏为主,且遇水冷却时试样破坏模式更复杂;高温加热后的花岗岩主要矿物成分未发生明显变化,其中长石和石英含量的变化较为明显;2种冷却方式下花岗岩内部微裂纹(沿晶裂纹、穿晶裂纹、脱离缺陷)的数量、张开度、扩展范围、连通性以及延伸长度均发生明显变化,以高温时遇水冷却的试样损伤程度最为严重,且随着加热温度的不断升高,内部裂纹不断增加,花岗岩的损伤程度也逐渐变大;高温花岗岩快速冷却的损伤机制主要是脱水作用、矿物相变以及热应力的综合作用,本质特征是热应力导致的微裂纹对岩石的弱化作用。

关键词：热损伤巴西劈裂遇水冷却声发射(AE) 高温花岗岩