等效岩体REV确定及节理力学行为研究

发布时间：2018-03-05 07:01

本文选题：随机节理三维网络模型　切入点：等效岩体　出处：《北京科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：节理广泛存在于岩体工程中,显著影响岩体力学行为,使岩体表现出不连续性、非均质性、各向异性等特征,同时,节理也引起岩体力学参数的尺寸效应。节理岩体力学性质复杂,是岩体力学研究的重点和难点。本文以内蒙古白云鄂博铁矿东矿和山西平朔东露天煤矿为工程背景,根据现场节理测线法调查和室内力学试验,基于Monte-Carlo随机模拟原理和块体离散元理论,采用等效岩体技术,紧紧围绕节理岩体力学性质,从静力学和动力学两方面展开研究,为岩体工程稳定性和安全性评价提供理论基础,更好地服务于快速发展的岩石工程建设。1)节理岩体静力学性质研究采用库伦滑移节理模型,基于2个研究内容展开岩体静力学研究：节理三维网络模拟技术与块体离散元方法相结合,建立考虑岩石峰后力学特征的随机节理三维网络等效岩体计算模型；根据不同尺度等效岩体单轴和三轴压缩试验进行岩体表征单元体(Representative Elementary Volume, REV)研究。取得的主要研究结果如下：(1)首先,根据现场节理测线法调查,确定节理地质参数概率分布模型及参数,基于Monte-Carlo随机模拟原理获得与现场节理具有相似统计特性的节理地质参数随机数据；然后,通过FISH语言编程,用节理地质参数随机数据及贯通率确定的面切割岩石块体产生多边形节理面,生成随机节理三维网络模型；最后,节理采用库伦滑移模型,岩石采用应变软化模型,根据室内力学试验确定模型参数,在块体离散元软件3DEC中实现了考虑岩石峰后力学特征的多尺度随机节理三维网络等效岩体计算模型的建立。通过等效岩体单轴及三轴压缩试验得到的应力-应变曲线可知,采用该方法建立的等效岩体较好地反映了岩石弹脆性力学性质及岩体弹塑性力学性质。(2)通过FISH语言编制单轴压缩试验程序,等效岩体单轴压缩试验表明：等效岩体应力-应变曲线分为弹性-节理滑移-弹塑性-软化-残余强度5个阶段；随着等效岩体尺度增大,岩体峰值强度、变形模量和残余强度逐渐减小,当研究对象尺度增大到15m-20m时趋于恒定,从而得到研究对象的岩体REV及该尺度岩体单轴抗压强度和变形模量。(3)通过FISH语言编制三轴压缩试验程序,等效岩体三轴压缩试验表明：同一尺度岩体三轴抗压强度随着围压增大而增大,但增大幅度与围压增大幅度成非线性关系(增大幅度逐渐减小)；多尺度岩体在同一围压应力下,随着岩体尺度增大,节理增多,围压对岩体力学行为影响增大；岩体REV随围压增大表现出减小趋势,对比单轴压缩下,围压对REV影响较小。2)节理岩体动力学性质研究节理库伦滑移模型适用于节理静力分析,然而岩体工程中的节理往往处于爆破荷载等动力荷载作用下,动力荷载对等效岩体REV的影响规律还未知。因此,本文针对可实现循环剪切加载的持续屈服节理模型,进行了基础研究,为等效岩体动力学参数REV研究以及岩体动力学反应分析奠定基础。研究内容包括：确定持续屈服节理模型力学参数、节理法向循环加卸载力学性质研究、节理循环剪切力学性质研究。取得的研究结果如下：(1)根据室内节理力学试验,建立持续屈服节理模型力学参数确定方法。采用持续屈服节理模型,进行节理直剪试验,得到剪切应力-位移曲线,该曲线包括非线性上升-峰值-软化-残余应力4个阶段。室内与数值试验对比表明：持续屈服节理模型能较好地反映节理剪切峰值强度及峰值强度前剪切应力与剪切变形的非线性关系,且能较好地反映峰值强度后节理应变软化及残余强度等节理力学性质。(2)对节理面粗糙度、节理初始摩擦角与基本摩擦角差值等参数进行参数研究。研究表明：①在切向刚度相同条件下,粗糙度对剪切应力影响主要集中在峰值强度-应变软化-残余强度阶段,随着粗糙度增大,剪切峰值强度呈幂函数增大。②节理剪切峰值强度与初始摩擦角、基本摩擦角的差值线性相关；随着摩擦角差值增大,剪切应力-位移曲线应变软化阶段坡度变陡。(3)从节理法向循环加卸载实验数据得到节理法向应力-闭合量曲线,分别采用半对数本构方程和双曲线本构方程表征该曲线,并确定2种节理法向刚度方程,首次将基于双曲线本构方程确定的刚度方程引入持续屈服节理模型中,编写节理法向循环加卸载程序,首次实现基于节理非线性本构法向循环加卸载数值模拟。通过与室内试验对比,该数值模拟方法行之有效。2种方法确定的节理法向刚度,在节理法向循环加卸载试验中随法向应力总体变化趋势基本一致。每次加卸载循环,都存在滞回环和能量耗散；随着循环次数增加,滞回环面积减少,节理能量耗散减小。(4)基于持续屈服节理模型,实现不同法向应力和不同剪切位移下节理循环剪切试验。研究循环剪切次数、法向应力以及循环剪切位移对节理循环剪切特征力学参数(循环剪切强度、动剪切模量以及滞回环面积)的影响规律,并拟合得到影响关系式。节理循环剪切滞回环曲线表明：同一法向应力下,随着循环剪切位移增加,滞回环面积增大(主要表现在滞回环宽度增加),节理耗能增大;同一循环剪切位移时,随着法向应力增加,节理滞回环面积增大(主要表现在滞回环高度增加),节理耗能增大。剪切应力峰值前,循环剪切次数和循环剪切位移值对节理剪切强度降低(或强度损伤因子增加)影响明显；峰值后,该影响不明显。节理动剪切模量和滞回环面积均受循环次数影响不明显；均受法向应力和循环剪切应变或循环剪切位移影响显著。本文相应建立循环剪切位移和法向应力与节理循环剪切力学参数的关系。综上,本文主要在3方面进行了独创性研究与运用：①岩石采用应变软化模型,在块体离散元软件中建立反映岩石峰后力学特征的随机节理三维网络等效岩体计算模型；进行等效岩体单轴和三轴压缩试验；确定白云鄂博铁矿东矿边坡节理岩体REV。②建立持续屈服节理模型力学参数的确定方法；提出基于节理非线性法向变形的法向循环加卸载数值计算思路和方法,弥补持续屈服节理模型在表征节理法向变形特征的缺陷；将基于双曲线本构方程的节理刚度方程引入持续屈服节理模型进行节理法向加卸载数值计算,改进和发展该模型。通过与室内试验对比,该数值计算方法行之有效。③基于持续屈服节理模型,实现节理循环剪切数值试验,研究循环剪切次数、法向应力以及循环剪切位移对节理循环剪切特征力学参数(循环剪切强度、动剪切模量及滞回环面积)的影响规律,提出法向应力和循环剪切位移对节理循环剪切力学参数的影响关系式。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

【参考文献】