岩土破裂过程分析RFPA 离心加载法

2014-09-30

       离心机试验是通过离心机高速旋转使土工模型体积力增加,形成人工重力,进而反映工程原型的力学特性,观察破坏模式、了解安全储备。由于其能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程,直观揭示变形破坏的机理,并能为其他分析方法提供真实可靠的参数依据,离心模型试验技术的这一优点使其能按照相似率要求,在原型应力状态下研究各类岩土工程、地质工程的稳定、变形与破坏过程,验证设计工程是否安全可靠、经济合理,因而得到越来越广泛的应用,受到了越来越多工程技术人员的重视。

但是,离心机试验也有如下不足:

(1) 在试验中的量测技术方面,在离心模型试验中,为了真实反映工程的实际情况,常要对模型加、卸荷,如边坡、堤坝的填筑、开挖等属这种情况,模型中的应力在离心机运转的情况下可以量测,但断面内的位移无法量测,常常要停机量测,而且常常只能对某一特定断面量测,这同离心机运转时所反映的位移情况不同。

(2)  土体、岩体中排水模拟问题在离心模型中也难以体现。

(3)  填料模拟。由于离心模型是采用小比例尺模型,那么所需填料也要按同一比例缩小,有时满足了尺寸效应,即缩制的材料虽然接近了原位材料,但随着缩制率的加大将会改变原位料的性质,小尺寸的原状试样在离心试验中可能不能完全反映整个原位模型的物理力学性质。

       力软的研究人员文将离心加载的基本思想引入RFPA 模型,建立了RFPA-Centrifuge,从而使RFPA系统可以通过离心加载法来研究岩土工程问题,特别是其破裂过程和安全储备系数。RFPA-Centrifuge 将细观基元的自重以线性关系、按一定步长逐渐增加,每增加一次,有限元计算程序将进行迭代计算,寻找外力与内力的平衡,同时进行破坏分析,直至边坡宏观失稳破坏,求得数值模型的滑动破坏面,以获得最大破坏单元数的计算步作为边坡失稳的临界点,计算相应的安全系数。RFPA-Centrifuge中以最大的基元破坏数作为数值模型失稳的判据。RFPA-Centrifuge在进行计算分析时,自动记录了每一加载步的基元破坏个数,用这种方法来判断边坡失稳,简单、有效。在垂直土坡、斜土坡、岩质边坡、隧道围岩相应离心数值模拟中取得了很好的结果。RFPA-Centrifuge力学效果与有限元强度折减法等效,还可以避免有限元强度折减法计算过程中所要求的折减力学参数之间的约束关系,而且数值试验结果还可以通过离心试验相互验证,为边坡等岩土工程问题研究提供了新的研究思路,更为相关工程问题的解决提供了一种便捷、有效的手段。

      该项研究成果已发表在2007第一期《岩土工程学报》上。下载:rfpa_lxjzf.rar (本网站转载论文仅为学术交流,如作者不同意转载请与本站联系)。

图1、垂直边坡离心试验

图2、边坡数值试验


图3、隧道围岩破坏算例验证