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横观各向同性岩体平直−光滑节理双模型细观参数联合标定方法

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第6期53卷 2211-2223页

作者：王朝阳林鹏许振浩王文扬吴杰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 山东大学齐鲁交通学院山东济南250061

为更真实地模拟节理岩体的力学行为,颗粒流程序(PFC)采用平直节理模型(FJM)和光滑节理模型(SJM)分别模拟横观各向同性岩体的岩石部分和节理部分。但双模型(FJM和SJM)标定涉及的细观参数多,导致宏观−细观参数对应关系复杂。为此,本文提... 详细信息

为更真实地模拟节理岩体的力学行为,颗粒流程序(PFC)采用平直节理模型(FJM)和光滑节理模型(SJM)分别模拟横观各向同性岩体的岩石部分和节理部分。但双模型(FJM和SJM)标定涉及的细观参数多,导致宏观−细观参数对应关系复杂。为此,本文提出一种横观各向同性岩体双模型细观参数联合标定方法。首先,遴选核心细观参数,建立岩体参数标定指标体系,对指标体系中的宏观−细观参数进行了敏感性分析,得到显著影响各宏观参数的细观参数;然后,提出FJM和SJM细观参数标定优先级体系,构建双模型细观参数联合分析方法,建立表征宏细观参数之间的函数关系;第三,为提高参数标定的准确性,提出了细观参数迭代校准方法;最后,形成了一套针对横观各向同性岩体的标准化细观参数标定流程。研究结果表明:所提标定方法可应用于页岩的细观参数标定,标定结果的相对误差小于3%,验证了该方法的有效性。

关键词：横观各向同性岩体颗粒流平直节理模型光滑节理模型标定方法迭代修正

考虑断裂韧度的PFC3D细观参数标定新方法

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中南大学学报（自然科学版） 2021年第8期52卷 2849-2866页

作者：谭攀饶秋华李卓张权易威中南大学土木工程学院湖南长沙410075

离散元法能更真实地表达材料的细观几何特点,且采用简单的接触本构方程,便于处理连续与非连续介质的变形与破坏问题,被广泛地应用于采矿、地质、土木、交通、水利、机械等工程领域。PFC3D是功能强大的离散元颗粒流分析软件,其细观参数... 详细信息

离散元法能更真实地表达材料的细观几何特点,且采用简单的接触本构方程,便于处理连续与非连续介质的变形与破坏问题,被广泛地应用于采矿、地质、土木、交通、水利、机械等工程领域。PFC3D是功能强大的离散元颗粒流分析软件,其细观参数的确定是需首要解决的问题,目前多数方法只考虑材料的宏观强度而很少考虑断裂参数,对阐述含天然裂隙的岩石破坏机理存在一定的局限性。为此,针对PFC3D平直节理模型,采用PB(Plackett-Burman)和中心组合设计(CCD)的方法,提出综合考虑强度参数和断裂参数(Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度)的PFC3D细观参数标定新方法,建立脆性岩石的PFC3D宏-细观参数关系式,并利用遗传算法求得PFC3D细观参数的优化解。模拟计算完整岩石试件单轴和三轴压缩应力-应变曲线和破坏模式、裂隙岩石在考虑和不考虑断裂韧度情形下单轴压缩断裂轨迹。研究结果表明:模拟的应力-应变曲线破坏模式、断裂轨迹与实验结果较吻合,且考虑断裂韧度的裂隙岩石试件断裂轨迹与实验结果吻合度更高,从而验证了基于考虑强度和断裂参数的岩石PFC3D细观参数标定新方法的合理性和有效性。该方法可推广至PFC3D的其他接触模型(接触黏结模型、平行黏结模型),可为PFC3D定量分析各种材料的多裂纹扩展过程及揭示其细观断裂机理提供参考。

关键词：断裂韧度 PFC3D细观参数平直节理模型 Plackett-Burman 中心组合设计

基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石水力致裂细观机理研究

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铁道科学与工程学报 2021年第3期18卷 669-677页

作者：张权饶秋华沈晴晴谭攀李鹏中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中国电建中南勘测设计研究院有限公司湖南长沙410014

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通... 详细信息

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律,并揭示其细观断裂机理。研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时,水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展,与交叉裂纹贯通或不贯通,细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力,易形成网状裂纹,有利于提高资源开采效率。

关键词：颗粒流软件(PFC2D) 平直节理模型交叉裂纹水力致裂细观机理

岩石化学腐蚀-围压损伤本构模型与离散元模拟研究

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固体力学学报 2022年第6期43卷 703-715页

作者：陈有亮陈奇键肖鹏杜曦王苏然上海理工大学环境与建筑学院上海200093 亚琛工业大学工程地质与水文地质系德国亚琛52064 新南威尔士大学土木与环境工程学院澳大利亚悉尼2052 同济大学地下建筑与工程系上海200093

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则... 详细信息

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数.同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线.通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况.

关键词：水化学损伤本构模型 SMP准则 PFC模拟平直节理模型半径乘子

基于PFC3D仿真重演的加载及卸载岩爆破坏特征研究

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隧道建设（中英文） 2020年第S01期40卷 98-106页

作者：蔡军任正刚吴运杰沈宇鹏刘越中交一公局集团有限公司北京100024 福建省建筑设计研究院有限公司福建福州350000 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

以兰-海高速公路桐梓隧道灰岩为研究对象,进行室内力学试验,并基于三维颗粒流程序PFC(particle flow code)进行加载和卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下岩样的细观破坏特征。研究结果表明:1)加载试验中岩石应力变化、颗粒位移、... 详细信息

以兰-海高速公路桐梓隧道灰岩为研究对象,进行室内力学试验,并基于三维颗粒流程序PFC(particle flow code)进行加载和卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下岩样的细观破坏特征。研究结果表明:1)加载试验中岩石应力变化、颗粒位移、黏结破坏特征及能量变化情况均表现出3个阶段,即弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。2)岩石加载强度随着初始应力的增大而增大,岩石储存的极限应变也随之增大。3)应力越大,卸载试验岩爆倾向及强度越大,这是由于岩石破坏时应力由卸载面转移到内部,导致岩石内部应力集中;在其他条件不变的情况下,初始应力越大卸载岩爆强度越大,径向应力增大对硐室围岩稳定性有着更不利的影响。4)岩石加载和卸载条件下岩石的破坏具有较大区别。

关键词：岩爆隧道室内力学试验数值模拟 PFC3D 平直节理模型加载卸载

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高地应力隧道岩爆破坏机理及硐室稳定性研究

高地应力隧道岩爆破坏机理及硐室稳定性研究

作者：吴运杰北京交通大学

学位级别：硕士

岩爆是高地应力地区地下硐室开挖突发、强烈的动力破坏现象,由已有众多工程岩爆实例可知其将对工程进度、质量及安全施工有诸多不良影响。本文以兰州至海口国家高速公路桐梓隧道为项目背景,开展了实地调查、室内力学试验和基于颗粒流程... 详细信息

岩爆是高地应力地区地下硐室开挖突发、强烈的动力破坏现象,由已有众多工程岩爆实例可知其将对工程进度、质量及安全施工有诸多不良影响。本文以兰州至海口国家高速公路桐梓隧道为项目背景,开展了实地调查、室内力学试验和基于颗粒流程序硐壁围岩的加载、卸载岩爆和硐室开挖的数值模拟等工作,研究了硐室围岩破坏机理和岩爆表现形式,分析了不同硐形开挖的破坏特征,为高地应力地区硐室开挖提供了理论和技术支持。主要研究成果如下:(1)在总结分析学术界对岩爆定义、分类和分级等研究成果基础上,提出了岩爆基本特征和表现形式,并探讨了各影响因素对岩爆的贡献程度;认为各类岩爆理论都是从某一角度描述岩爆某方面的特征,需要将各理论有机结合起来,才能全面地解释岩爆现象。(2)通过岩石室内力学试验获得了桐梓隧道灰岩的单轴抗压强度、变形模量、泊松比以及单轴抗拉强度力学性质参数;并采用正交设计数值试验研究了平直节理模型细观参数和宏观参数之间的影响关系,为细观参数快速标定提供了依据,获得了该隧道中灰岩的细观参数标定值。(3)根据隧道开挖过程中的围岩受力状态,可分为瞬时卸载和应力集中两个阶段;据此将岩爆也分为加载岩爆(瞬时卸载阶段后应力集中或应力扰动诱发岩爆)和卸载岩爆(卸载效应期间诱发岩爆)。发现围岩的第二主应力越大,岩爆发生的临界应力也越高,且岩爆发生更加强烈;加载及卸载试验中都出现了卸载面至一定深度的岩体应力释放区,这是由于岩石颗粒较大的径向变形导致岩体承载应力降低,应力向围岩内部转移的缘故。(4)多组地应力水平条件下的四种形状隧硐开挖结果表明圆形隧硐开挖最为稳定,斜井与隧道主硐其次,城门形隧硐围岩破坏最严重;当最大主应力与隧道走向一致时,硐室开挖后围岩破坏程度最小;当最大主应力分别为硐室切向和径向时,圆形硐室围岩破坏程度相差较小,城门形硐室和斜井在最大主应力为径向时围岩破坏更为严重,而主硐却相反。

关键词：岩爆 PFC3D 颗粒离散元破坏机理平直节理模型

基于离散元的水化学溶液作用下的钙质胶结砂岩细观模拟研究

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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基于离散元的水化学溶液作用下的钙质胶结砂岩细观模拟研究

作者：张超华南理工大学

学位级别：硕士

水化学溶液广泛存在于岩体工程中,并使岩石的物理力学性质发生劣化,如强度降低、裂隙发育,尤其在工业化快速发展的当今,河流污染、酸雨等环境问题更加剧了岩石的劣化程度,这给岩体工程的正常使用和运行埋下了安全隐患,因此研究化学与力... 详细信息

水化学溶液广泛存在于岩体工程中,并使岩石的物理力学性质发生劣化,如强度降低、裂隙发育,尤其在工业化快速发展的当今,河流污染、酸雨等环境问题更加剧了岩石的劣化程度,这给岩体工程的正常使用和运行埋下了安全隐患,因此研究化学与力学耦合作用下的岩石力学性质具有重要的工程意义。岩石的宏观力学性质受其微观结构的控制,大多数岩石在微观上都具有以下特征:（1）由矿物颗粒及颗粒间的结晶或胶结连接组成;（2）内部含有大量微缺陷。这些特征使得岩石处在水化学环境时,化学溶液会通过岩石的裂隙和孔洞等缺陷进入到内部,并与岩石的活性矿物成分发生反应,削弱颗粒间的连接或腐蚀矿物颗粒,改变岩石的微观结构,随着化学反应的不断进行,颗粒间的连接作用愈发变弱,从而导致岩石的腐蚀劣化程度不断增加。本文以钙质胶结砂岩为例,从微观角度出发,主要分析砂岩在酸性环境下损伤劣化的机理和化学腐蚀前后微观结构的变化,介绍了一种可以通过改变黏结接触的参数来定量模拟岩石随时间变化的化学腐蚀过程的颗粒流数值模拟方法,以期通过数值试验代替室内试验来研究岩石在化学溶液中的损伤劣化效应。主要的研究内容和成果如下:（1）根据已有室内试验资料归纳分析了水化学作用对砂岩的损伤劣化和对其微细观结构变化特征,从物理化学的角度分析了砂岩劣化的原因,给出了砂岩劣化的化学动力学分析,将砂岩颗粒间可溶胶结物的溶蚀流失作为砂岩水化学损伤的主要原因,并基于胶结物的化学反应速率定量统计了砂岩在化学腐蚀过程中的溶蚀量。（2）结合砂岩在腐蚀过程中微细观结构的变化,选择出适合模拟岩石化学腐蚀的颗粒流离散元法和平直节理接触本构模型,并将砂岩的化学腐蚀过程等效为砂岩中矿物颗粒间可溶胶结物不断溶蚀的过程,进而转化为颗粒流中颗粒间的黏结接触尺寸不断减少的过程,通过该方式将化学腐蚀引入到离散元中,并基于可溶胶结物的溶蚀速率推导出了水化学作用下颗粒流中半径乘子的计算公式。（3）根据室内腐蚀试验,建立校准的离散元模型,并将水化学作用下参数半径乘子的变化规律添加到颗粒流的平直节理黏结接触上,用数值试验成功模拟分析了钙质胶结砂岩的化学腐蚀与宏观力学性能劣化的过程并与室内腐蚀试验进行了对比。（4）结合颗粒流中化学腐蚀的引入过程,对模拟过程可能有影响的细观参数进行了参数敏感性分析,并利用接触黏结强度和接触弹性模量同样模拟再现了砂岩在水化学溶液中的损伤劣化过程。

关键词：钙质胶结砂岩化学腐蚀颗粒流平直节理模型半径乘子