基于离散元方法的节理岩体各向异性力学参数表征及应用

发布时间：2018-12-31 17:33

【摘要】：岩体是一种非均质、各向异性地质体,准确表征岩体的力学特性对于矿山设计及安全生产具有重要意义。岩石和结构面是组成岩体的主要部分,岩石的力学性质可以通过室内试验分析确定,而结构面如层理、断层、节理等分布复杂,其空间几何分布特征和变形、强度特性是导致岩体力学存在各向异性的重要原因之一。确定合理的岩体各向异性力学参数是其力学特性研究的基础,也是岩土工程稳定性设计的前提,正确认识节理岩体的各向异性力学性质,表征合理的节理岩体力学参数,具有重要的理论意义和应用价值。为分析节理岩体各向异性力学参数并进行工程应用,本文基于离散元颗粒流方法建立了随机节理网络模型,并进行岩体力学参数尺寸效应研究,分析表征单元体的各向异性力学特性；在确定各向异性力学参数基础上,基于各向异性弹性损伤理论和有限元方法,实现工程岩体各向异性模型的求解,分析力学各向异性对岩体变形、破坏的影响规律,为矿山设计及支护等提供一定参考。围绕节理岩体各向异性力学参数表征及应用这一课题,本文开展了以下方面的研究工作：1.基于线弹性理论和位移等效原理,建立考虑节理几何、力学特性的层状岩体各向异性理论模型,研究岩体的轴向、横向等效弹性模量和泊松比参数,从理论角度讨论岩块、节理材料力学、几何参数对岩体变形特性的影响规律。2.针对不同倾角层状岩石开展单轴抗压、抗拉和直剪室内试验,对其变形、强度及破坏模式进行分析。利用离散元颗粒流方法,开展单轴压缩数值试验,并分析节理单元的刚度、强度特性,对不同取值规律进行探讨,并研究不同加载方向下试件的力学特性,基于不同倾角下试件的破坏模式及强度变化规律,探讨节理的参数取值可靠性。3.基于随机数生成的Monte Carlo方法,采用PFC2D内嵌FISH二次开发语言,编写随机节理网络自动生成算法MC_JOINT;结合ShapeMetriX3D岩体结构面数字图像识别技术,对模拟的岩体露头面进行扫描,准确识别出不同级别结构面,根据几何产状聚类进行分组,统计每组结构面的几何参数信息和分布概率模型；应用该算法生成随机节理网络模型,通过开展节理模型单轴压缩数值试验,对模型破坏失稳、裂隙扩展过程进行分析,并与完整岩石的力学特性进行对比,验证节理岩体力学研究的可行性。4.开展单轴压缩试验标定基质岩石的细观力学参数,结合随机节理生成方法MC_JOINT,建立的离散元节理网络DFN模型,对节理岩体的弹性变形参数、强度参数的尺寸效应进行系统研究,对表征单元体(REV)的各向异性力学参数进行分析,研究各力学参数的空间主值,为研究节理岩体的力学参数表征提供方法和参数依据。5.结合离散元方法确定的各向异性力学参数,以典型随机节理岩体为背景,研究岩体各向异性特性对工程稳定性的影响,以弹性损伤各向异性理论为基础,建立考虑节理各向异性的力学模型,对围岩稳定性进行数值研究,讨论岩体各向异性对围岩应力场的影响规律,基于Hoffman各向异性屈服准则,分析各向异性对岩体损伤区的影响规律,实现工程岩体各向异性模型的求解。
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【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD313

【参考文献】

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本文编号：2396894