节理岩体巷道围岩稳定性的颗粒离散元分析

发布时间：2019-11-12 22:44

【摘要】：节理岩体具有不连续和大变形等特征。为研究节理岩体巷道围岩的稳定性,基于离散单元法的颗粒流程序,为设于节理岩体中(考虑其节理连通率为0,50%和70%的3种情况)的巷道建立模型,分析巷道围岩的变形以及微裂纹分布。结果表明,当巷道处于完整岩体时,巷道围岩变形较小;当围岩节理连通率达到50%时,巷道围岩出现局部脱落但没有明显的破坏面;当围岩节理连通率为70%时,巷道围岩容易形成破坏面,围岩出现块体状脱落,巷道围岩变形破坏严重。随着节理连通率的增加,围岩微裂纹急剧增加,围岩四周主要分布剪切裂纹,岩体巷道的破坏方式以剪切破坏为主。
【图文】：

全应力应变曲线,单轴压缩,数值模型,试样

［9，11］。因此，首先进行室内的单轴压缩试验获得岩石的宏观力学参数，再进行不断调试数值模拟单轴压缩试验，最终获得能反映该岩性的细观参数。在室内，对现场获得的标准岩芯试样进行单轴压缩试验。同时，，采用PFC2D软件建立岩石试样(试样高100mm、直径为50mm)单轴压缩数值模型，如图1所示。上下2道墙体伺服控制轴向应力的加载，试样颗粒采用平行粘结模型。通过大量的试算，反复调整颗粒细观参数，最后选定PFC模型的细观参数见表1。同时通过室内试验与数值计算模拟得到全应力应变曲线如图2所示。图1试样单轴压缩数值模型Fig．1Numericalmodelforuniaxialcompressionoftestspecimen表1颗粒细观参数Tab．1Microscopicparametersofparticles接触类型细观参数数值平行粘结模型颗粒接触模量/GPa20颗粒法向与切向刚度比2．63颗粒密度/(kg·m－3)2576摩擦因数0．51法向、切向粘结强度/108N1．1，1．1平行粘结半径乘子1．0平行粘结模量/GPa20粘结法向与切向刚度比2．63·134·中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第27卷2017年

曲线,曲线,节理岩体,室内试验

图2应力－应变关系曲线Fig．2Stress-straincurveofuniaxialcompression从图2所示应力－应变曲线可以看出，数值曲线峰值比室内试验曲线峰值所对应的轴向应变略小一点，这主要是数值试验是由圆形的颗粒造成的，已有研究证明了这一点［18］。模拟与试验获得的峰值强度和弹性模量(按峰值阶段近似直线段平均斜率取值)之间的差异很小，与前人研究结论一致［19］。室内试验以及数值模拟的试验破坏形态如图3所示，从图3可以看出，岩石试样从中间发生张拉破坏，最终破裂模式与室内试验结果较为相似。图3试样数值模拟和室内试验破坏形态Fig．3Numericalsimulationandlaboratorytestfailurepatternsofthespecimen3节理岩体抗剪强度分析在PFC模型中，节理定义为位于某一指定平面两侧的颗粒间的特殊接触，将此平面处颗粒的接触模量及粘结强度设为较低的水平，即可在岩体中形成软弱结构面［13］。本文通过改变节理位置处接触颗粒之间的粘结强度和摩擦因数来模拟节理面。试样颗粒细观参数见表1，而节理面的两侧颗粒粘结强度为0，摩擦因数为0．2。采用PFC内置的FISH语言编程建立直剪试验模型，对含有节理的岩体进行抗剪强度分析。建立如图4所示的节理岩体直剪试验模型，试样宽和高均为100mm，模型总共生成6道刚性墙体，其中3、4和5号墙体构成模型的上剪切盒，1、2和6号墙体构成模型的下剪切盒，贯通的节理位于试样的正中间。通过伺服控制4号墙体对试样进行恒定竖向应力加载;给5号和3号墙体一定的速度对试样进行剪切。分别对不同竖向应力(1，5和10MPa)状态下节理岩体进行直剪试验。试验过程中记录试样的剪切应力和剪切位移。最终得到的剪应力与剪切位移的关系如图5所示。图4节理岩体直剪?

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