块状节理岩体各向异性力学特性数值模拟研究

发布时间：2020-04-20 22:26

【摘要】：块状岩体作为常见的工程岩体,其内部通常存在2～3组相互交叉的贯通节理。这些产状、密度和空间分布都不同的节理将岩体切割成块状结构,从而使岩体的力学性质具有各向异性特征。当前,岩体工程中广泛使用的基于地质强度指标(GSI)的岩体强度模型并没有考虑到岩体的各向异性特性,故无法准确预测岩体的强度特性。因此,建立一种可靠的岩体强度模型并完善其相关理论基础,实现对块状岩体强度的准确评估,可为岩体工程稳定性分析及灾害防治提供理论支撑。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了节理倾角和岩块形状对岩体强度特性及破坏模式的影响规律,取得如下成果:(1)提出一个反映岩体各向异性特征的强度预测模型:本文采用Hoek-Brown(H-B)经验准则与数值模拟相结合的分析方法,建立了能反映岩体破碎程度的岩体数值模型,开展了单轴压缩试验数值模拟,基于数值模拟结果,提出一个反映岩体各向异性特征的强度预测模型,该模型能够综合考虑节理倾角和破碎程度对岩体强度的影响。(2)揭示了节理倾角β对块状岩体强度和破坏模式的影响规律:块状岩体的抗压强度(UCS)随节理倾角变化的曲线呈现以β为45°为对称轴的“W”形;块状岩体的破坏模式分为四类,随着节理倾角β从0°增大到45°,依次出现张拉破坏(β=0°)、剪切破坏(10°≤β≤20°)、滑移破坏(30≤β≤40°)和块体转动破坏(β=45°)。(3)节理间距比(S1/S2)和节理组夹角γ对节理岩体模型的强度特征具有显著影响:岩体抗压强度(UCS)随节理间距比(S1/S2)增大呈现出显著增大的变化趋势,并且当S1/S2=2时,块状岩体的抗压强度近似为S1/S2为1时的2倍,即近似水平分布岩块所组成的岩体,其强度要比近似竖直分布岩块所构成的岩体的强度高。对于贯通双节理岩体,岩体强度和破坏模式的改变主要由节理组夹角γ改变所致。随着节理组夹角γ的变化,主要和次要节理组会发生转换,影响岩体强度。
【图文】：

单节,强度准则,岩体,倾角

（１）考虑节理面强度逡逑为了研究岩体的各向异性，Ｈｏｅｋ和Ｂｒｏｗｎｆ６４］提出基于单弱面理论的解决方逡逑法，将Ｈ－Ｂ准则中参数ｍ和ｘ与单节理组倾角／？建立如下关系：逡逑ｍ邋１逦＾逦Ｖ逡逑—二邋ｌ－」ｅｘｐ邋—邋—￣￣（２－２２）逡逑＾邋＇Ｕ＋ｍＪ邋—逡逑（２－２３）逡逑式中，心为ｍ取最小值时的节理倾角／？，邋＆为ｓ取得最小值时的节理倾角／？，邋ｊ为逡逑常数，其表徸式如下：逡逑ＹＹＩ逡逑Ａ邋二邋ｍ＇邋—逦（２－２４）逡逑ｍｉ逡逑Ｐ为常数，其表达式为：逡逑Ｐ：１－、，ｎ逦（２－２５）逡逑

拟合曲线,三轴试验,拟合曲线,节理

石三轴试验测得为１２３．３５ＭＰａ和４１．６９。通过对三轴试验数据进行非线性回归分逡逑析，获得最佳拟合曲线，得到１＋２和２＋３节理块状岩体试样的等效ＧＳＩ值，如逡逑图３．２所示。逡逑近似垂向节理逡逑ｎ田＿逡逑近似水平节理逡逑（ａ）完整试样（ｂ）ｌ＋２节理试样（ｃ）２＋３节理试咩逡逑３．１人工节理试件［１８］逡逑３２０邋逦逡逑＿完整岩石逦ａ逡逑２８０逦１＋２节理试样逦＊逡逑▲邋２＋３节理试祥逦＃逡逑２４０邋逦ＧＳＩ邋１００逦｜逦＊逡逑—ＧＳＩ－８３逦ｆ逦？逦馨逡逑２００邋－—ＧＳＩ＝６７逦％逡逑Ｑ邋逦｜逦｜逦｜逦｜逦｜逦｜逦逡逑０逦２逦４逦６逦８逦１０逦１２逡逑ｃｒ３邋［ＭＰａ］逡逑图３．２三轴试验数据及Ｈ－Ｂ拟合曲线［｜８１逡逑１９逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU45

【参考文献】