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Reynolds控制方程下粗糙节理渗流空腔模型研究

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岩土力学 2012年第12期33卷 3680-3688页

作者：肖维民夏才初王伟卞跃威同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092 上海市闵行区建设工程安全质量监督站上海201100

在研究节理的渗流时,渗流控制方程对节理渗流分析结果具有显著影响。首先介绍了节理渗流分析中的控制方程:Navier-Stokes方程、Stokes方程、Reynolds方程和立定定理,并分析了各控制方程在节理渗流分析中的适用性。以Reynolds方程作为渗... 详细信息

在研究节理的渗流时,渗流控制方程对节理渗流分析结果具有显著影响。首先介绍了节理渗流分析中的控制方程:Navier-Stokes方程、Stokes方程、Reynolds方程和立定定理,并分析了各控制方程在节理渗流分析中的适用性。以Reynolds方程作为渗流分析控制方程,建立了粗糙节理渗流空腔模型。然后以节理试件为研究对象,在实测节理三维表面形貌并计算隙宽分布后,分别进行相同渗流边界条件下的室内渗流试验和空腔模型计算,得到节理在不同接触状态下的渗流量实测值和计算值,并分别将计算结果与立方定理下的空腔模型、将整个节理简化为光滑平行板模型的立方定理以及速宝玉经验公式的计算结果进行比较,结果表明,Reynolds方程下的节理渗流空腔模型计算结果与实测值最为吻合,可以较为准确地反映节理的渗流情况。同时,根据Reynolds方程下空腔模型得到的渗流流量分布可以呈现节理渗流的曲折现象,为从本质上研究节理渗流特性奠定了理论基础。

关键词：岩石力学粗糙节理控制方程 Reynolds方程空腔模型

基于Barton剪胀模型的粗糙节理渗流分析

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岩石力学与工程学报 2013年第4期32卷 814-820页

作者：肖维民夏才初王伟卞跃威同济大学地下建筑与工程系上海200092 西南交通大学岩土工程系四川成都610031 上海市闵行区建设工程安全质量监督站上海201100

为研究粗糙节理在剪切过程中的渗流规律,首先,采用Barton剪胀模型分析节理在剪切过程中的剪胀效应,计算节理在不同剪切位移下的剪胀位移,采用Brown-Scholz(B-S)理论模型分析法向应力作用下的节理闭合变形;通过初始隙宽、法向闭合变形和... 详细信息

为研究粗糙节理在剪切过程中的渗流规律,首先,采用Barton剪胀模型分析节理在剪切过程中的剪胀效应,计算节理在不同剪切位移下的剪胀位移,采用Brown-Scholz(B-S)理论模型分析法向应力作用下的节理闭合变形;通过初始隙宽、法向闭合变形和剪胀位移建立剪切过程中的节理隙宽与法向应力和剪切位移之间的关系,在此基础上得到剪切过程中的节理渗流计算公式;然后,在对节理试件进行渗流试验的基础上,分别采用基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式和Barton经验公式计算通过节理试件的理论渗流流量,并将预测结果与实测值进行比较,比较结果表明,基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式的预测结果与实测值较为一致,而Barton经验公式预测值与实测值偏差较大,从而验证了该公式在计算节理剪切过程中的渗流情况的正确性。

关键词：岩石力学粗糙节理隙宽剪胀渗流

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考虑曲折效应的粗糙节理渗流计算新公式研究

岩石力学与工程学报 2011年第12期30卷 2416-2425页

粗糙节理的隙宽分布不均匀是引起节理渗流出现曲折现象的主要原因。针对节理试件B01和B02,在获得节理的三维表面形貌并计算节理的三维空腔组合形貌后,分别进行室内渗流试验和Reynolds方程下的节理渗流数值模拟,得到节理中的曲折流径分布... 详细信息

粗糙节理的隙宽分布不均匀是引起节理渗流出现曲折现象的主要原因。针对节理试件B01和B02,在获得节理的三维表面形貌并计算节理的三维空腔组合形貌后,分别进行室内渗流试验和Reynolds方程下的节理渗流数值模拟,得到节理中的曲折流径分布,在此基础上根据节理三维空腔组合形貌定义定量描述节理渗流曲折效应的平均曲折因子。在考虑节理表面粗糙性的立方定理修正经验公式的基础上,采用分析岩石渗透系数的等效沟槽模型对粗糙节理的渗流进行分析,推导得到考虑曲折效应的节理渗流计算公式,并根据节理试件B01的数值计算结果确定渗流计算公式中的待定常数。然后采用节理试件B02的数值计算结果对渗流计算公式的准确性进行验证,计算结果表明考虑节理渗流曲折效应的渗流计算公式可以较好地反映节理中的渗流情况。在此基础上,将根据本文渗流计算公式得到的节理试件渗流结果与渗流试验实测值及速宝玉经验公式计算结果进行比较,结果表明:考虑曲折效应的节理渗流计算公式渗流结果与实测值一致,而速宝玉经验公式过高地估计了节理的渗流量,进一步验证了节理渗流计算公式的准确性。

关键词：岩石力学粗糙节理 Reynolds方程渗流曲折效应曲折因子

基于SHPB试验的粗糙节理面动态损伤特征研究

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岩土力学 2021年第2期42卷 491-500页

作者：张雨霏李建春闫亚涛李海波东南大学爆炸安全防护教育部工程研究中心江苏南京211189 东南大学-蒙纳士大学苏州联合研究生院江苏苏州215123 中衡设计集团股份有限公司江苏苏州215123 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

分析节理岩体在动态加载下的节理面损伤有助于把握节理岩体的动态破坏本质特征。针对节理形貌对节理岩体动态压缩破坏影响研究较少的现状,利用改进后的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对含粗糙节理的试样进行冲击试验,结合3D扫描仪等设备... 详细信息

分析节理岩体在动态加载下的节理面损伤有助于把握节理岩体的动态破坏本质特征。针对节理形貌对节理岩体动态压缩破坏影响研究较少的现状,利用改进后的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对含粗糙节理的试样进行冲击试验,结合3D扫描仪等设备对多次低幅值冲击荷载下的节理面损伤特征进行定量研究。研究结果表明:粗糙节理试样在多次加载情况下,典型波形图表现出透射波幅值降低的现象,认为应力波在节理处的透射能力削弱与节理面出现的损伤现象有关;利用波速探伤技术验证了多次冲击荷载下岩块部分损伤较弱,而节理面的损伤现象更加显著,具体特征为粗糙节理面的整体起伏度减小,粗糙度增加;引入体积损失率以定量评价节理面损伤程度,发现节理吻合度系数(JMC)、节理凸起分布情况及节理起伏角对节理面的损伤具有不同程度的影响;最后,利用试验数据计算了耗散能以定义损伤变量,发现具有较小节理吻合度系数(JMC)的节理面表现出更剧烈的节理损伤程度;然而在比较节理试样的前后损伤变量发现,利用新定义的损伤变量反映节理岩体的损伤存在一定局限。

关键词：节理岩体粗糙节理 SHPB 节理面损伤应力波能量

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考虑接触面积影响的粗糙节理渗流分析

岩土力学 2013年第7期34卷 1913-1922页

节理中接触面积的存在使得渗流曲折效应更加明显,将对渗流产生显著影响。为了研究节理接触面积对节理渗流的影响,建立节理渗流概念模型,推导得到了节理渗流的接触面积影响系数;然后在节理渗流计算公式中引入该影响系数,得到了考虑接触... 详细信息

节理中接触面积的存在使得渗流曲折效应更加明显,将对渗流产生显著影响。为了研究节理接触面积对节理渗流的影响,建立节理渗流概念模型,推导得到了节理渗流的接触面积影响系数;然后在节理渗流计算公式中引入该影响系数,得到了考虑接触面积影响的渗流计算公式。同时,由于接触面积的存在使得渗流曲折因子的计算更为复杂,在获得节理隙宽分布的基础上提出了计算节理渗流曲折因子的五点比较法。然后以人工大理岩节理试件为研究对象,在获得其三维表面形貌的基础上,一方面对其进行不同接触状态下5级法向应力作用下的渗流试验;另一方面,在根据节理试件的三维表面形貌数据计算节理的渗流平均曲折因子和接触面积比的基础上,分别采用考虑接触面积影响的渗流计算公式和Zimmerman计算公式对节理试件在不同法向应力作用下的渗流体积流量进行计算,并将计算结果与实测值进行比较。结果表明:考虑接触面积影响的渗流计算公式计算结果与实测值吻合较好,从而验证了考虑接触面积影响的渗流计算公式的正确性,而Zimmerman计算公式高估了节理的渗流流量。

关键词：岩石力学粗糙节理闭合变形隙宽曲折因子接触面积

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粗糙节理面岩石剪切特性颗粒流数值模拟

公路 2022年第7期67卷 372-379页

作者：郑伟尹培杰赵灿云基智慧工程股份有限公司深圳市518049 长安大学公路学院西安市710064 中交第三航务工程勘察设计院有限公司上海市200032

应用分形几何原理,通过SynFrac软件生成具有不同分形维数和标准差的节理面,利用PFC2D调用生成的节理面形成具有不同粗糙类型的节理岩石模型。通过FISH语言编写直剪数值模拟代码,进行直剪模拟试验,研究在不同法向应力下具有不同分形维数... 详细信息

应用分形几何原理,通过SynFrac软件生成具有不同分形维数和标准差的节理面,利用PFC2D调用生成的节理面形成具有不同粗糙类型的节理岩石模型。通过FISH语言编写直剪数值模拟代码,进行直剪模拟试验,研究在不同法向应力下具有不同分形维数和标准差的节理岩石的宏细观剪切力学行为。研究发现,数值计算结果表现出类似于真实节理的宏观力学行为,峰值剪切强度与法向应力成正相关的关系,即峰值剪切强度随着法向应力的增加而增加;分形维数与峰值剪切强度之间成开口向上的抛物线关系,当分形维数D大于1.757~1.945时,峰值剪切强度随着分形维数的增大而增大,反之,峰值剪切强度随着分形维数的增大而减小;峰值剪切强度与法向应力和坡度均方根Z间存在相关性。由此提出了考虑节理粗糙度等影响因素的抗剪强度预测公式。

关键词：岩体节理力学粗糙节理分形维数标准差坡度均方根离散元法

同方期刊数据库

考虑三维形貌特征的粗糙节理渗流空腔模型研究

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岩石力学与工程学报 2011年第S2期30卷 3786-3795页

作者：肖维民夏才初王伟同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092 上海市闵行区建设工程安全质量监督站上海201100

为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLA... 详细信息

为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLAB程序进行计算。用大理岩人工节理试件沿节理长度方向将同一节理上表面相对下表面分别错开1,2,3,4,5和6 mm,形成节理不同的接触状态,计算这6种情况下的节理三维空腔组合形貌,得到不同接触状态下节理的隙宽分布和平均隙宽值。将节理渗流空腔模型和立方定理在不同接触状态下的渗流计算结果与节理试件在不同接触状态下的室内试验结果进行比较。分析结果表明:节理渗流空腔模型计算结果比立方定理更接近室内渗流试验结果,但是空腔模型计算结果和试验结果还有一定的差距,并对其误差存在的原因进行分析。

关键词：岩石力学粗糙节理立方定理三维空腔组合形貌不同接触状态空腔模型

基于3D打印技术的粗糙节理岩体对应力波能量传递的影响研究

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实验力学 2023年第2期38卷 267-275页

作者：李业学王元元曹林涛湖北文理学院土木与建筑工程学院湖北襄阳441053

将标准JRC(Joint Roughness Coefficient)曲线沿直线拉伸生成对应JRC曲面,模拟粗糙节理面,采用3D打印技术,制作包含JRC节理面的圆柱体试样。通过节理试样的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)试验,探讨了节理面粗糙度(以JRC描述)和应... 详细信息

将标准JRC(Joint Roughness Coefficient)曲线沿直线拉伸生成对应JRC曲面,模拟粗糙节理面,采用3D打印技术,制作包含JRC节理面的圆柱体试样。通过节理试样的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)试验,探讨了节理面粗糙度(以JRC描述)和应变率对应力波能量传递的影响规律。试验研究表明:(1)应力波穿过相同JRC的节理时,反射能量系数大于透射能量系数。这表明:节理粗糙特征有助于应力波反射,并抑制应力波透射。(2)随着JRC增大,反射能量系数相应增加,透射能量系数相应减小,且最终都收敛于一个常数。(3)应变率对应力波能量传递影响类似于JRC,但应变率的影响趋势线是发散的。(4)根据应力波能量传递分析,文中提出了一种更优的透射波终点确定方法,即能量下降法。

关键词： 3D打印粗糙节理应力波能量

不同地应力下应力波在粗糙节理处的传播规律研究

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不同地应力下应力波在粗糙节理处的传播规律研究

作者：刘斓武汉理工大学

学位级别：硕士

节理对岩体强度特性与变形特性均有重要影响。地应力作用下深部岩体节理表现为闭合隐性特征,在地震、爆炸等荷载作用下会产生张开与滑移,对岩体的稳定性极为不利。考虑天然节理粗糙性,本文结合数值模拟与理论分析方法,研究了应力波在不... 详细信息

节理对岩体强度特性与变形特性均有重要影响。地应力作用下深部岩体节理表现为闭合隐性特征,在地震、爆炸等荷载作用下会产生张开与滑移,对岩体的稳定性极为不利。考虑天然节理粗糙性,本文结合数值模拟与理论分析方法,研究了应力波在不同地应力下粗糙节理处的传播规律,具体研究工作如下:(1)通过与理论对比,验证了采用离散元软件UDEC模拟剪切波在充填节理处传播的可行性,采用中线截距平均值S和起伏均方根R生成不同粗糙程度的节理,对S波垂直入射粗糙充填节理的影响参数进行了数值研究。发现节理粗糙度对透射系数的影响与充填厚度密切相关,其中节理起伏均方根R的影响更大。当考虑充填材料的破坏时,发现在平直充填节理出现滑移后,透射波波幅与充填节理的强度有关,而与入射波波幅无关。(2)考虑地应力的影响,基于时域递归分析法,分别采用节理连续屈服模型(CY模型)与节理BB模型推导了S波与P波入射非线性节理的波动方程,所得理论解与UDEC模拟结果具有较好的一致性。(3)基于节理CY模型,通过UDEC对节理刚度、粗糙度、入射波波幅及频率等参数对S波在深部节理处传播规律的影响展开了研究。发现随着节理切向刚度、粗糙度及地应力的增大,透射系数均增加;侧压力系数对透射系数的影响具有阶段性,当侧压力系数不大于1时,透射系数随着侧压力系数的增加而增加,而当侧压力系数超过1,透射系数随着侧压力系数的增加而减少。当考虑节理的非线性及塑性变形特征时,应力波衰减规律受到波幅及地应力的综合作用。当地应力足够大时,应力波传播规律与入射波波幅基本无关。(4)基于BB节理模型,考虑了节理刚度、入射波波幅及角度等参数的影响,研究了不同地应力下P波斜入射一组平行非线性粗糙节理的传播规律。发现节理越粗糙,初始法向刚度越大,P波在节理处的衰减越小;透射系数随着侧压力系数增加而增加,且当侧压力系数大于1时,增加幅度减小。入射角度的影响对地应力有着较大的依赖性。当地应力较小且入射波波幅到达某特定值前,随着波幅的增加,透射系数增加,且地应力越小,增加幅度越大。而当地应力大于30MPa后,入射波波幅对应力波衰减规律的影响可以忽略。

关键词：粗糙节理应力波地应力透射系数节理本构模型