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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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Numerical investigation on the sensitivity of jointed rock mass strength to various factors

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Mining Science and Technology 2010年第4期20卷 530-534页

作者： niu shuangjian JING Hongwen HU Kun YANG Dafang State Key Laboratory of Geomechanics and Deep Underground Engineering China University of Mining & Technology Xuzhou 221008 China School of Civil Engineering Henan Polytechnic University Jiaozuo 454003 China

The mechanical properties of jointed rock masses, such as strength, deformation and the failure mechanism, can be understood only by studying the sensitivity of jointed rock mass strength (both the peak and residual strengths) to the factors that affect it. An orthogonal design of uniaxial compression tests was simulated on eighteen groups of jointed rock specimens having different geometric and mechanical properties using RFPA2D (Rock Failure Process Analysis) code. The results show that the peak strength is controlled by the geometric parameters of the joints, but that the residual strength is controlled by the mechanical prop- erties of the joint interfaces. The failure mode of jointed rock specimens is mainly shear failure. Joint quantity, or density, is the most important index that affects jointed rock mass strength and engineering quality.

关键词： jointed rock mass peak strength residual strength variance analysis sensitivity

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软土地区“群坑”流固耦合分析

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现代隧道技术 2014年第1期51卷 90-96页

作者：牛双建杨大方林志斌河南理工大学能源科学与工程学院焦作454000 河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室焦作454000 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室徐州221008

文章针对现有研究缺乏考虑多个深基坑的流固耦合作用的现实情况,以深圳地铁5号线前海湾站为背景,对软土地层下的"群坑"进行了流固耦合数值模拟研究。分析结果表明:(1)潜水水位越高"群坑"变形越大,且地表沉降最大值和坑底隆起最大值都与... 详细信息

文章针对现有研究缺乏考虑多个深基坑的流固耦合作用的现实情况,以深圳地铁5号线前海湾站为背景,对软土地层下的"群坑"进行了流固耦合数值模拟研究。分析结果表明:(1)潜水水位越高"群坑"变形越大,且地表沉降最大值和坑底隆起最大值都与潜水水位呈指数关系,围护桩最大水平位移与潜水水位呈线性关系;(2)已有车站的存在对新建基坑靠近车站一侧的土体有"加固"的作用,会减小基坑靠近车站一侧土体的变形,但是会增大另一侧土体的变形;(3)考虑"群坑"流固耦合作用的数值分析更符合实际。

关键词： “群坑”流固耦合潜水水位数值模型

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单轴压缩下破裂岩样强度及变形特征

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采矿与安全工程学报 2015年第1期32卷 112-118,125页

作者：牛双建靖洪文杨大方郭佳奇河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室河南焦作454000 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室江苏徐州221116 河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学土木工程学院河南焦作454000

巷(隧)道围岩的显著特点为破裂后承载,破裂围岩强度及变形特征的正确评价对其围岩稳定控制意义明显。以从已破坏返修段巷道现场采集的破裂岩样为研究对象,根据其现场多处于近似零围压或低围压的应力环境,借助MTS伺服试验机对其单轴压缩... 详细信息

巷(隧)道围岩的显著特点为破裂后承载,破裂围岩强度及变形特征的正确评价对其围岩稳定控制意义明显。以从已破坏返修段巷道现场采集的破裂岩样为研究对象,根据其现场多处于近似零围压或低围压的应力环境,借助MTS伺服试验机对其单轴压缩下再破坏时的强度及变形特征进行系统研究。结果表明:破裂面对岩石的峰值强度产生明显的影响,对残余强度无直接决定性的影响;破裂岩样全应力-应变曲线总体可分为单峰型和多峰型2类;破裂面对岩石的割线模量及泊松比、峰值轴向应变影响不明显,但对峰值环向及体积应变影响明显;破裂岩样破裂面扩展过程及最终的破坏模式与原主破裂面的角度有关,主破裂面与加载方向近乎平行时,多发生竖向劈裂破坏,当两者垂直时,多发生竖向劈裂与横向主破裂面贯通破坏,其他情况大多发生竖向劈裂与剪切组合破坏模式;破裂岩样表面破裂面分布具有明显的分形特征,且其单轴压缩峰值强度与其表面破裂面盒维数两者之间总体符合线性单调减函数关系。

关键词：单轴压缩破裂岩样再破坏破坏模式分形维数

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深部巷道破裂围岩强度衰减模型及其在FLAC^(3D)中的实现

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采矿与安全工程学报 2014年第4期31卷 601-606页

作者：牛双建靖洪文杨大方王建文河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 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 河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室河南焦作454000 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

基于深部巷道破裂围岩强度衰减规律研究成果,选择塑性参数作为损伤因子,根据室内预制初始损伤破裂岩样加卸载及其各级围压下的三轴压缩两试验结果,分别计算不同损伤破碎程度岩样卸载点的塑性参数值(初始损伤因子值)及其剪切强度参数c,φ... 详细信息

基于深部巷道破裂围岩强度衰减规律研究成果,选择塑性参数作为损伤因子,根据室内预制初始损伤破裂岩样加卸载及其各级围压下的三轴压缩两试验结果,分别计算不同损伤破碎程度岩样卸载点的塑性参数值(初始损伤因子值)及其剪切强度参数c,φ值,初步建立深部巷道破裂围岩强度衰减模型;通过对初步建立的强度衰减模型中塑性参数的替换推导,建立以塑性参数εps表示的深部巷道破裂围岩强度衰减模型,使其可以直接运用于理论分析和数值模拟;将该模型植入FLAC3D中,结合实际深部巷道工程,对千米深井深部典型变形破坏巷道进行数值模拟分析,将数值模拟结果及相关结论与室内物理模拟和工程现场测试结果进行综合对比分析,验证了所建立模型的合理性。

关键词：深部巷道破裂围岩强度衰减塑性参数剪切强度参数

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煤巷顶板锚索补强支护参数敏感性分析

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煤矿安全 2015年第8期46卷 227-229页

作者：牛双建党元恒王东河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室江苏徐州221008 煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454003

采用离散单元分析软件UDEC4.0对煤巷顶板稳定性锚索补强支护参数敏感性进行了分析。结果表明:锚索间排距为顶板稳定性的第一影响因素,影响性显著,锚索直径次之,影响性较为显著,锚索预紧力、锚杆长度、锚固段长度分列其后,影响性均为特... 详细信息

采用离散单元分析软件UDEC4.0对煤巷顶板稳定性锚索补强支护参数敏感性进行了分析。结果表明:锚索间排距为顶板稳定性的第一影响因素,影响性显著,锚索直径次之,影响性较为显著,锚索预紧力、锚杆长度、锚固段长度分列其后,影响性均为特别不显著。在实际的工程应用中对顶板稳定性影响较大的锚索支护参数应重点考虑,在保证顶板稳定的前提下,即可节省支护成本,又可加快施工速度。

关键词：补强锚索正交试验巷道支护方差分析直观分析锚索支护

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细观参数对类砂岩材料宏观参数影响规律的颗粒流分析

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河南理工大学学报（自然科学版） 2017年第2期36卷 135-141页

作者：牛双建冯文林党元恒河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室江苏徐州221008

为快速、准确地确定颗粒流模型中的细观参数,采用单因素分析法,用平行黏结模型对类砂岩材料各宏观力学参数的影响规律进行模拟分析。结果表明,峰值强度同摩擦系数之间符合幂函数增长关系,而同平行黏结半径乘子之间符合线性增长函数关系... 详细信息

为快速、准确地确定颗粒流模型中的细观参数,采用单因素分析法,用平行黏结模型对类砂岩材料各宏观力学参数的影响规律进行模拟分析。结果表明,峰值强度同摩擦系数之间符合幂函数增长关系,而同平行黏结半径乘子之间符合线性增长函数关系,与平行黏结刚度比之间未有明显的函数关系;弹性模量同摩擦系数之间符合幂函数增长关系,与平行黏结半径乘子之间符合线性增长函数关系,与平行黏结刚度比之间符合指数函数衰减关系;泊松比同平行黏结刚度比之间符合幂函数增长关系,泊松比与摩擦系数、平行黏结半径乘子之间均符合指数函数衰减关系;峰值应变同平行黏结刚度比、平行黏结半径乘子之间均符合幂函数增长关系,峰值应变与摩擦系数之间未有明显的函数关系。

关键词：摩擦系数平行黏结刚度比平行黏结半径乘子弹性模量泊松比

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岩体工程力学课程教学改革的探讨

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中国现代教育装备 2014年第7期 52-53页

作者：牛双建杨大方河南理工大学河南焦作454000

以采矿工程专业开设的岩体工程力学课程为例,根据采矿工程专业培养目标及课程教学现状,总结了目前课程教学中普遍存在的几个突出问题;结合课程教学工作,探讨了相应的教学改革措施。

关键词：岩体工程力学教学改革实践环节

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裂隙砂岩力学特性颗粒流数值模拟

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河南理工大学学报（自然科学版） 2019年第2期38卷 129-135页

作者：牛双建张丁元葛双双杨大方河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 华侨大学隧道与城市地下空间工程研究中心福建厦门361021 深圳市路桥建设集团有限公司广东深圳518028 河南理工大学土木工程学院河南焦作454000

为了研究裂隙砂岩力学特性,利用颗粒流(PFC)软件构建含不同几何状态的裂隙试样模型,分析裂隙几何状态对裂隙试样力学特性和变形特性的影响。结果表明:相比于完整试样,裂隙试样的峰值强度、弹性模量、峰值轴向应变均有所降低,泊松比明显... 详细信息

为了研究裂隙砂岩力学特性,利用颗粒流(PFC)软件构建含不同几何状态的裂隙试样模型,分析裂隙几何状态对裂隙试样力学特性和变形特性的影响。结果表明:相比于完整试样,裂隙试样的峰值强度、弹性模量、峰值轴向应变均有所降低,泊松比明显提高;裂隙试样峰值强度、弹性模量随着岩桥宽度的增加逐渐增加,随着岩桥倾角增加,裂隙试样弹性模量呈现先减小后增大的变化规律,当岩桥倾角与裂隙倾角相同时,裂隙试样的弹性模量、峰值强度最小;裂隙试样泊松比随着岩桥宽度、围压的增加逐渐降低,随着围压增加,裂隙试样峰值强度、峰值轴向应变逐渐增加;裂隙的存在弱化了试样的力学特性,改变了试样的变形特性,岩桥宽度越小,弱化能力越强,相比于岩桥宽度对裂隙试样的影响程度,岩桥倾角对试样的影响程度较小。

关键词： PFC 力学特性岩桥倾角岩桥宽度围压

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双排桩支护结构土压力的数值模拟

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黑龙江科技学院学报 2008年第3期18卷 180-184页

作者：牛双建杨大方马欢中国矿业大学建筑工程学院江苏徐州221008 河南理工大学土木工程学院河南焦作454003

为了更准确的设计双排桩支护结构,结合FLAC3D软件,运用数值模拟方法研究了双排桩土压力的分布。研究表明:前、后排桩桩前被动土压力分别呈S形和线性分布,其值接近静止土压力,后排桩桩前土压力在基坑开挖面以上小于静止土压力,以下大于... 详细信息

为了更准确的设计双排桩支护结构,结合FLAC3D软件,运用数值模拟方法研究了双排桩土压力的分布。研究表明:前、后排桩桩前被动土压力分别呈S形和线性分布,其值接近静止土压力,后排桩桩前土压力在基坑开挖面以上小于静止土压力,以下大于静止土压力;前、后排桩桩后土压力较接近静止土压力,基坑开挖面以上小于静止土压力,以下大于或存在大于静止土压力的部分;各种排距下桩间土对前后排桩桩侧土的压力大致相等。

关键词：双排桩有限差分土压力数值模拟

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