巖體的案例
巖石邊坡工程課程---工程巖體分類[Engineering Rock Mass Classification](C5)
1 引言
工程巖體分類[Engineering Rock Mass Classification]本質上是一種經驗設計方法, 盡管最近10年研究者們試圖開發新的分析技術和建模工具(例如合成巖體SRM), 以取代使用經驗性的工程巖體分類系統來評估斷裂巖體的力學特性, 解決在大型露天礦和地下塊體崩落法開采中遇到的巖石穩定性問題, 但迄今為止, 在實踐的巖石工程中, 仍然代替不了工程巖體分類系統. 這節課簡要總結了世界范圍內廣泛使用的工程巖體分類系統.
2 目的
在詳細討論各種工程巖體分類系統之前, 首先思考一下工程巖體分類的目的. 總的來說, 工程巖體分類為了達到以下目的:
(1) 為工程地質學家和工程師建立一個相互通訊的橋梁. 任何工程巖體分類系統都是建立在詳細的工程地質調查基礎之上的, 工程師的設計極大地依賴于工程地質學家提供的地質資料.
(2) 確定巖體穩定性最重要的影響因素. 在一個工程項目中, 不同區域的巖體性質表現各異, 通過工程巖體分類, 可以確定出影響巖體穩定性的關鍵因素.
(3) 把巖體劃分為相似的組, 工程師針對不同的組進行設計.
(4) 工程類比. 工程巖體分類的一個直接目的是進行工程類比, 巖體分類提供了一種可以客觀評價的甚至可以借鑒的通用標準.
(5) 使用工程巖體分類進行經驗設計, 決定頂板的自穩時間以及決定是否需要支護.
(6) 為工程設計和數值分析推導定量的巖體參數, 例如巖體強度和變形模量, 我們將在C6的課程中詳細介紹.
3 發展歷史
工程巖體分類最早是由Terzaghi提出，他于 1946 年在隧道鋼結構的支護設計時 , 最早提出了巖石載荷分類系統 (rock load classification system).
展開 利用3DEC仿真三維規則節理巖體的文章
個別元素法于三維巖體力學行為之應用.doc
基于DYNA的含裂隙巖體爆破裂紋及擴展及損傷模擬 ￥48.9
巖體中的裂隙直接影響爆破應力波在巖體中的傳播，進而影響爆破效果。本案例研究了含裂隙巖體爆破中裂紋的擴展及損傷過程，Ls-dyna模擬了爆炸應力波在裂隙巖體中的傳播特性。結果表明:爆破過程中應力波分布不均勻，主要向自由表面傳播閉合型宏觀裂隙阻礙爆炸應力波的傳播，且在裂隙處會止裂，裂紋及損傷會繞過裂隙處，模擬結果如下 ：
圖1 含裂隙巖體爆破裂紋及擴展有限元模型
圖2 含裂隙巖體爆破裂紋及擴展過程
圖3 含裂隙巖體爆破裂紋及等效應力波傳播過程
本案例適用于研究爆炸、沖擊、侵徹動力學的朋友，下面附上該模擬的K文件，大家有疑問可以在私信我，歡迎交流！
展開 舊文新讀: 節理化巖石的合成巖體模型[A SRM Model for Jointed Rock]
在過去, 預測節理化巖體強度和變形最廣為接受的方法是基于半經驗估計的Hoek-Brown破壞準則, 然而Hoek-Brown準則沒有強調巖體的脆性行為, 這也部分地造成Hoek-Brown準則的估算有時會引起人們的懷疑, 例如<Hoek的巖體變形模量經驗估計---Is it reliable ?>. 而在塊體崩落法和分段崩落法中, 考慮巖石從峰值強度到巖石的完全破碎過程是必須的.
SRM使用PFC3D建立的BPM模型表示原巖, 用離散斷裂網絡DFN表示節理, 如下圖所示, 來估算巖體的強度屬性和變形屬性, 從而預測巖體的脆性斷裂行為.
建模方法是把斷裂信息(即斷裂幾何形狀和特性)疊加到BPM模型上。即BPM對完整巖石建模，通過修改斷裂接觸點處的接觸模型引入斷裂的力學行為。由于PFC模型本質上是離散的，因此破壞可能在完整的BPM區域和沿斷裂面發生。
SRM克服了早期工作中存在的模型尺寸和表示節理的限制，允許快速構造和測試直徑為10-100米的中等到嚴重節理化的巖石樣本，這些巖石含有數千個非貫通性節理。SRM模擬用于估算巖體的峰前屬性(模量、損傷閾值、峰值強度)和峰后屬性(脆性、殘余強度、破碎)，并用于分析大規模邊值問題(例如巖體邊坡穩定性)。SRM模擬允許考慮三維大型復雜非貫通性節理網絡以及塊體斷裂，包括不完整節理對塊體強度的影響。
一個通用的SRM數值模擬步驟如下:(1) 根據現場數據建立離散斷裂網絡DFN; (2) 對構造的DFN模型進行了隨機抽樣，按恒定的高寬比分離出N個立方樣本進行模擬; (3) 對每個立方樣本進行強度試驗, 并記錄了每個樣本的全部應力應變行為。這種方法為確定大規模巖體樣本的復雜構成行為提供了一種方法。這在實驗室中通常很難實現或不可能實現。
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基于LS-DYNA的準二維巖體爆破裂紋的模擬(附K文件） ￥19.8
巖體中的炸藥在爆炸瞬間釋放出大量的爆炸能量，產生爆炸沖擊波和應力波，以動載的形式作用周圍巖體并使得巖石損傷和破碎。一般認為，巖體的爆破裂紋是由兩種不同類型的動力荷載作用下產生的:爆炸應力波和爆炸氣體。首先是炸藥起爆后在孔洞周圍產生的應力沖擊波的作用，其次是持續時間較長的爆炸性氣體的作用。當炸藥起爆時，壓力急劇增大，爆破孔周圍巖體被壓碎形成破碎區，而周圍巖體受到拉應力產生裂縫，形成裂隙擴展區。本案例巖石模型采用003號材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，裝藥方式采用空氣不耦合裝藥，通過定義失效準則，使得巖體產生破碎及擴展裂隙，模擬結果如下
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展開 軟弱巖體中隧道支護設計的初步估算(Tunnel support in weak rock)
這個術語完整的表達應是"巖體的單軸抗壓強度與最大原巖應力的比"，這個比值用來評估軟弱(weak rock)巖體中隧道的穩定性以及對是否要采取支護措施提供初步的估計。這個估算方法首先由Hoek提出[Hoek, E. (1998). Tunnel support in weak rock. Proc. Regional Symp. on Sedimentary Rock Engineering, Taipei, Taiwan, Nov 20-22, pp 1-12.]，并由Hoek and Marinos進行了改進[Hoek, E. and Marinos, P. (2000). Predicting tunnel squeezing. Tunnels and Tunnelling International. Part 1 - November 2000, Part 2 – December 2000.] 。下面簡要總結了這個方法。
巷道圍巖塑性區的確定
錨桿長度(Bolt length)的經驗確定方法
使用RMR估算巷道支護壓力 (Support Pressure)
2 估算方法
Dr. Hoek于1998年研究了在軟弱巖體中的隧道的應變和強度應力比之間的近似關系，如下圖所示。橫坐標是巖體強度與原巖應力的比值，縱坐標是(隧道變形量與隧道直徑的比)*100。這個圖是針對沒有支護的隧道提出的，最初Hoek對Carranza-Torres解和Duncan Fama解使用Monte Carlo技術進行分析得出了理論關系式(左圖)，后來經過工程實例的驗證，發現這種表示方式(右圖)能很好地為支護提供初步估計。
于是發展出如下圖所示的強度應力比與應變量之間的半定量關系。在這個圖中，共劃分為A,B,C,D,E五個區域。
展開 基于LS-DYNA的準二維巖體爆破裂紋模擬2 ￥39.9
炸藥在巖體中爆炸瞬間釋放出大量的爆炸能量，產生爆炸沖擊波和應力波，以動載的形式作用周圍巖體并使得巖石損傷和破碎。一般認為，巖體的爆破裂紋是由兩種不同類型的動力荷載作用下產生的:爆炸應力波和爆炸氣體。首先是炸藥起爆后在孔洞周圍產生的應力沖擊波的作用，其次是持續時間較長的爆炸性氣體的作用。當炸藥起爆時，壓力急劇增大，爆破孔周圍巖體被壓碎形成破碎區，而周圍巖體受到拉應力產生裂縫，形成裂隙擴展區。本案例巖石模型采用272號材料*MAT_RHT，模型算法采用ALE(任意拉格朗日-歐拉算法），由材料自帶的損傷參數獲得巖體產生破碎去及擴展裂隙過程，模擬結果如下
圖1 巖體斷面裂紋擴展模擬結果與試驗結果比較
圖2 巖體斷面裂紋擴展及損傷變化模擬結果
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展開 巖體特征---不連續組數(Discontinuity Set)
1 引言
在巖體工程設計時，不論是采用經驗設計方法還是建立數值模型，首先需要判別巖體的特征(Characterization of rock mass). 巖體主要由兩大部分組成：一部分是完整的巖石(intact rock)和小尺寸的肉眼不可見的微觀裂隙；另一部分是可能包含或不包含填充物的大尺寸不連續，例如斷層和節理。根據完整巖石和不連續體的特性，巖體的特征考慮了巖塊(rock blocks)、巖橋(rock bridges)、不連續體產狀(discontinuity orientation)、不連續體間距(discontinuity spacing)，不連續貫通度(discontinuity persistence)，不連續組數(number of discontinuity sets)，不連續面強度(discontinuity wall strength)，不連續體張開度(discontinuity aperture)、不連續的填充物(discontinuity infilling)等。Wyllie(2017) 用圖形顯示了上面提及的節理巖體的特性。
任何工程系統，當施加在系統上的外力達到系統構件的固有強度時，系統的力學破壞都發生在最薄弱的部件或連接處，借用鋼筋混凝土設計的術語，稱之為控制截面 。對于巖體來說，這些控制截面是巖體內的不連續面，包括節理，斷層，層理，礦脈，軟弱的填充物、片巖等。不連續的特性(產狀、間距、強度、貫通度、粗糙度，含水量等）對巖體的強度和變形有很大影響，需要通過詳細的現場測繪來準確地描述這些特性。不連續面也更容易受到風化和腐蝕的影響，因為它們是地下水和其他腐蝕性液體的通道。因此，量化不連續體對節理巖體力學性能的影響非常重要。
展開 利用3DEC仿真三維規則節理巖體的文章
摘 要本文利用三維個別元素分析法程序(3DEC)，仿真三維規則節理巖體在單軸與真三軸應力下之變形與強度特性。主要研究結果如下：(1) 3DEC可用以定性分析三維節理巖體力學機制，利用該程序可簡易探討任何節理分布位態下之力學行為，免除物理模模型仿真試驗之困難；(2) 多軸應力下巖體之異向性行為亦可透過3DEC仿真分析，定性上均與物理現象相互一致；(3)在節理間距、勁度比較大的巖盤較需要比對二維與三維分析之差異。
一、前 言
自然界巖體多處于真三軸應力狀態下，以往受限于分析工具與實驗設備，巖石工程之分析大多局限于二向度分析，對三維巖體行為之仿真則較少[1]。例如目前可用于分析具大變形特性之離散巖體的程序如DDA[2]、UDEC[3]均局限于對二維問題的解析；而3DEC[4]程序系以個別元素法(distinct element method)在UDEC基礎下發展而成之數值分析程序，正可用以仿真三維節理巖體之力學行為：3DEC可將巖體視為由許多離散的完整巖塊所組成，各完整巖塊可以仿真成剛體或可變形體；而各完整巖塊間為節理所分隔。(1)在對節理的仿真方面，主要依據位移－作用力法則，計算在節理面上之剪應力及正向應力，以作為個別巖塊之邊界應力條件，因此可仿真巖塊大位移與轉動之情況。(2) 3DEC在仿真可變形巖塊時，系根據「edge」指令程序自行將三維巖塊再細分成許多四面體狀次級塊體(sub-block)，次級塊體可以為任意形狀。每個次級塊體可配合所指定之材料組成律及外力情況，計算巖塊之受力及應力分布情況；每個次級塊體的節點有三個自由度，以計算這些次級塊體上節點之運動情形，然后配合材料組成律計算次級塊體上之應力應變關系，則可得塊體間之作用力，接著配合邊界所產生的接觸力計算得新合力與加速度，以作為下一時階計算可變形巖塊之邊界條件。
個別元素法于三維巖體力學行為之應用.doc
展開 各向異性巖體邊坡的三維穩定性(Anisotropic Rock Masses)
1 引言
巖體的強度和變形行為在很大程度上取決于巖石的"完整 "強度和不連續面的強度，不連續面如節理、層面、葉脈等。當巖體中存在大部分這樣的弱面時，巖體就會產生各向異性的強度和變形行為，在這種巖體中開挖的邊坡其滑動面不僅沿著弱面破壞，也在巖體內的巖橋里發生破壞，因而評估這種類型的邊坡穩定性非常困難。
各向異性巖體的數值模型(Anisotropic Rock Mass Model)
各向異性巖體地層中隧道的數值分析(Tunnels in Anisotropic Rock Mass)---Part 1
各向異性巖體地層中隧道的數值分析(Tunnels in Anisotropic Rock Mass)---Part 2
澳大利亞的Pilbara礦就處在這種巖體中，邊坡的破壞不僅發生在單個臺階，也發生在多個臺階中，下面左圖所示的是一個邊坡破壞實例，右圖所示的是各項異性巖體模型。
2 文獻調查
由于Pilbara礦巖體各向異性導致的復雜性，因此進行了許多巖體強度和邊坡穩定性研究。
展開 各向異性巖體地層中隧道的數值分析(Tunnels in Anisotropic Rock Mass)---Part 1
4 數值方法選擇
數值模擬必須能夠充分模擬出巖體的各向異性特性，也需要模擬噴射混凝土的老化行為。由于不是全斷面開挖，因此開挖順序的模擬也是必須的。此外，需要模擬不同類型的結構元支護對巖體產生的影響。
對于巖體來說，模擬的最好工具是3DEC,事實上該項目的另一個研究團隊正在使用3DEC模擬這個隧道。Kassa(2016) <Numerical models on anisotropy of rocks> 使用單軸和三軸強度試驗比較了3DEC和GTS NX的模擬結果，他使用的模擬試件尺寸為5m*5m*10m，然后在試件中加入弱面，弱面角度從0°到90°變化，探索弱面對強度的影響，從而對參數進行標定。3DEC使用了Mohr-Coulomb節理模型，GTS NX使用了三維實體元加界面元。對于實體單元，使用從Hoek-Brown準則推導出來的等效Mohr-Coulomb準則，對于界面元使用Mohr-Coulomb摩擦定律。模擬過程是在一定圍壓(0, 0.5, 1.0, 3.0, 6.0MPa)下, 以恒定速度施加位移，直至試件破壞為止。不同條件下詳細的模擬結果比較參看視頻，在此不再贅述。
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巖體不連續提取工具---Discontinuity Set Extractor (DSE)
1 引言
巖體不連續提取工具DSE(Discontinuity Set Extractor)最初是Adrián Riquelme為他的博士論文研究工作編制的工具軟件，其目的是為了從巖體中提取不連續集(Discontinuity Set)。輸入的數據是三維點云，三維點云數據由三維激光掃描儀如LiDAR或TLS【地面激光掃描儀TLS在巖土工程中的應用(2)---節理粗糙度JRC; 地面激光掃描儀(Terrestrial Laser Scanner)在巖土工程中的應用(1)---Rockfall】產生，也可以由數字攝影測量(digital photogrammetry)技術【攝影測量技術在巖石工程中的應用(application of photogrammetry)】或合成數據產生。這個工具可以從三維空間按平面排列的無組織的點云中半自動地識別和提取出不連續組。DSE使用MATLAB語言編寫，DSE的最新版本3.01需要在MATLAB R2021b環境下運行【個人觀點---為什么數值模擬優先使用Python而不是MATLAB】。
展開 擴展有限元(XFEM)模擬巖體節理網絡(DFN | Joint Network）
1 引言
節理巖體邊坡穩定性分析是巖石工程數值模擬最具挑戰性的問題之一，因為節理的分布模式及其強度對邊坡穩定性有重大影響，而這兩個因素在很大程度上都是不確定的。當進行數值模擬分析時，有兩種不同途徑處理節理化巖體的應力和應變行為，最常用的方法是離散元法，離散元法把節理作為邊界來處理，由節理切割而成的巖塊可以是剛性體，也可以是變形體，這種方法最廣泛應用的程序是UDEC和3DEC，本公眾號有近200篇文章討論了這種方法；另一種方法是把巖體作為連續性介質，節理當作另一種材料模型，但節理置于有限元網格的節點上，當巖體發生變形時，節理隨著單元網格移動，但不能象離散元那樣節理產生分離【Voronoi多邊形在有限元中的應用】，如下左圖所示。不過，這種處理方法在復雜的幾何結構中會表現出顯著的缺點，因為在這種情形下節理不能完全適應網格的劃分。為了克服這一限制，引入了隱式的節理網絡巖體模擬方法---擴展有限元方法(XFEM), XFEM能夠單獨識別節理，與網格劃分無關。節理不必置于有限元網格的節點上，可以自由分布在所研究的域內，如下右圖所示。
2 XFEM工作機理
擴展有限元法(XFEM)【Abaqus 2021 擴展有限元 XFEM新功能；[最新文獻]錨桿加固全飽和斷裂多孔介質的數值過程】是21世紀初開發的一種新的數值方法[Belytschko T., Black T., 1999, Elastic crack growth in finite elements with minimal remeshing, International Journal for Numerical methods in Engineering, 45, 601-620.]
展開 Ubiquitous節理巖體模擬(Ubiquitous Joint Rock Mass Modelling)
1 引言
Ubiquitous節理巖體模擬最初在FLAC中引入，Sainsbury等人(2008)在SRM中使用了UJRM，從而在FLAC3D模型中考慮了巖體強度和各向異性, 能夠研究完整巖石內聚力的逐漸減弱和Ubiquitous節理破壞, [Sainsbury, B. et al. (2008) Analysis of cave behaviour using a Synthetic Rock Mass (SRM) – Ubiquitous Joint Rock Mass (UJRM) modelling technique.]，他們的方法與Pierce等人(2007)和Mas Ivars等人(2008)的方法不同，沒有使用PFC3D，而是用FLAC3D評估來自較小模型模擬的巖體屬性。Lavoie(2011) 提出了一個UJRM的解析解[Thierry Lavoie (2011) An Analytical Geomechanical Upscaling Approach for Modeling Jointed Rock Mass Behaviour Using Ubiquitous Joints. UBC MS. Thesis. 186p.]。這個筆記簡要討論了ADONIS的Ubiquitous本構模型，并與FLAC/Slope中的Ubiquitous模型作了比較。
2 ADONIS模擬
一個簡單的Ubiquitous節理巖體邊坡如下圖所示。
(1) 項目設置
在項目設置中，主要設置合適的單位和重力加速度。
(2) 網格劃分
邊坡的幾何形狀可以在ADONIS內直接輸入坐標，選擇6節點的三角形單元，最大邊長取0.75。
(3) 邊界條件
邊界使用xyfix命令固定三邊，邊坡面不能固定。
展開 求解Hoek-Brown應變軟化巖體GRC曲線的matlab代碼包括詳細注釋 ￥15
<p>求解Hoek-Brown應變軟化巖體圍巖特征曲線的matlab源代碼，包含應力、位移和塑性區云圖的繪制，看懂后可隨意更改參數，適應于彈脆性、理想彈塑性和應變軟化巖體各種彈塑性本構模型</p>
