含单节理砂岩力学特性试验及PFC3D数值模拟

发布时间：2020-11-21 01:36

　　 工程岩体中存在着结构各异的不连续面,使岩体具有不连续性和各向异性的特征。因此岩体的力学性质不仅取决于岩石本身力学性质,还取决于结构面力学性质和结构面的空间组合情况。在实际工程中遇到的大部分都是不完整岩体,由于矿产勘探、能源开采、交通运输、城市地下空间等工程的需要,对含节理岩体的力学特性研究也愈发重要。为研究节理面对不同应力状态下岩石试样的影响,本文开展了含单节理砂岩试样室内试验与数值模拟研究。主要研究内容如下:(1)开展不同角度节理砂岩试样常规三轴压缩试验,研究了节理角度、围压对砂岩试样三轴应力状态下抗压强度、各向异性变形及破坏模式的影响,结合实时声发射系统,揭示了节理砂岩在常规三轴压缩下的破坏机制。(2)基于室内常规三轴试验结果,开展了不同角度、不同围压节理砂岩试样卸围压试验及循环加卸载试验,分析了卸围压应力路径下不同围压卸载速率对节理砂岩力学特性和破坏模式的影响,研究了单调荷载及循环荷载作用下节理砂岩的变形演化规律及破坏模式,以及循环次数对节理砂岩力学参数的影响规律。(3)采用PFC3D软件中平行黏结模型建立完整砂岩试样数值模型,将扫描得到的节理面导入到完整模型中并安装光滑节理接触,生成节理砂岩数值模型。基于室内常规三轴试验结果,选取能反映真实节理砂岩试样宏观力学特性的合理细观参数。进行了节理砂岩常规三轴加载路径下的数值模拟计算,并在数值模型三轴加载模拟过程中实时记录微观裂纹数量的扩展演化规律,从细观角度分析了节理砂岩试样破坏特征和破坏机理。该论文有图84幅,表15个,参考文献105篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TU452
【部分图文】：

指导研究了岩体变形与破坏的基本规律[4]。岩体在经历了漫长的地质构造作用后，内部产生很大的内应力，具有各种规模的结构面，随着岩体尺度的增加，岩体从完整岩石向节理裂隙化岩石转化[5]。岩体中存在各种形态、大孝间距、密度、和方向不同的不连续面，使岩体具有不连续性和各向异性的特性，成为岩体结构研究的难点之一。岩体中结构面的成因、尺寸、产状、密度及力学性质不同，加上岩体所处的应力环境的变化，岩体的力学性质不仅取决于岩石本身力学性质，在很大程度上取决于结构面力学性质和结构面的空间组合情况。图1-1岩体从完整岩石向节理裂隙化岩石的转化[5]Figure1-1Transformationofrockmassfromintactrocktojointedfracturedrock[5]大坝、边坡和隧道等工程中，往往由于岩体节理的发育，给工程岩体带来安全隐患。完整岩石单组节理两组节理多组节理节理化岩体

利瓦伊昂大坝的边坡失稳引起漫坝事故，主要原因在于河谷两岸的2组卸荷节理，加上倾向河床的岩石层面，构造断层和古滑坡面等组合在一起，在左岸山体内形成一个大范围的不稳定岩体[7]。四川泸州市叙永县的仙人洞隧道，由于隧道岩体中的节理在溶蚀作用下产生各种溶洞和暗河，最后导致出现突泥和岩溶地板塌陷等灾害现象[8]。白鹤滩水电站地下发电所巷道围岩存在有大量含泥化夹层结构面，给围岩稳定带来了极大的安全隐患[9]。图1-2为加拿大Ashihik河岸某斜坡顶部的外倾锯齿状滑动面，给边坡稳定带来了巨大的威胁[10]。图1-2Aishihik河岸滑坡台阶面实例[10]Figure1-2Exampleofstep-pathsurfaceattheAishihikRiverLandslide[10]因此，为了研究节理对岩体力学性质和变形破坏模式的影响，本文将开展节理岩体室内试验与数值模拟来系统研究不同应力状态下节理岩体力学行为及各向异性变形特征。室内节理岩体的试验研究可为节理岩体工程的安全性评价提供依据，同时广泛应用的数值模拟软件也可为节理岩体工程的灾害治理提供分析计算。1.2国内外研究现状（Researchstatusathomeandabroad）含软弱结构面的节理岩体在各类工程中十分常见，国内外岩体力学学者对于节理裂隙岩体的力学性质研究的成果十分丰富。由结构面和结构体组成的岩体，其强度受到结构体和结构面强度的力学特性及其组合方式的共同控制。由于不连续面的弱化作用，节理岩体的力学性质在很大程度上取决于节理面的力学性质。基于前人的研究成果，下文将从理论研究、试验研究和数值模拟三个方面对节理岩体的研究现状做简单的阐述。1.2.1理论研究现状Jaeger[11]首先发展了单弱面理论，提出了第一个全面的基于Mohr-Coulomb准则的节理岩石强度模型，为研究节理对岩体强度的影响提供了有益?

鲅芯浚?贸隽斯赜诮诶?砂岩高温后应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律，试验结果表明温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的：当经历温度较低时，温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果；而当温度较高时，则反之。刘健等[26]开展了不同压应力条件下深部花岗岩中天然开启节理剪切性能试验研究，结果表明，不同压应力条件下，天然开启节理的剪切变形特征具有一致性，在对应的深部地应力条件下，天然开启节理处于压密状态，且压应力幅值的变化不会使得开启裂隙产生不可恢复的变形。图1-3大理岩三轴压缩破坏模式[19]Figure1-3Triaxialcompressionfailuremodeofmarble[19](a)沿节理面滑移(b)穿切节理面破坏节理面主破裂面
【参考文献】

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本文编号：2892317