不同应力环境下断续节理岩体结构效应模型试验研究

发布时间：2018-02-03 12:36

  本文关键词： 断续节理 结构效应 节理参数 不同应力环境 颗粒流模型　出处：《中国矿业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：结构面的存在使工程岩体具有结构效应,大大增加了岩石材料力学性质评估的难度,使岩体工程设计更加复杂。断续节理普遍赋存于工程岩体中,在荷载作用下产生新生裂隙,并且逐渐扩展、连通,形成宏观破裂面,使工程岩体逐步丧失承载能力。因此,研究断续节理岩体的结构效应对岩体工程的稳定性控制具有十分重要的意义。本文结合国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036003)和国家自然科学基金项目(51374198),针对工程岩体力学性质难以预测的科学难题,采用物理模型试验和颗粒流数值模型试验相结合的方法,对单向、双向和三向应力环境下断续节理岩体的结构效应进行了系统研究。主要研究成果与结论如下：(1)采用人工相似材料制备了182块断续节理岩体物理模型试样,在单轴压缩条件下分别研究了断续节理岩体节理间距力学效应和节理重叠度力学效应,分析获得了平行节理间的相互作用机理。平行节理间的相互作用对断续节理岩体模型破坏模式、强度性质和变形性质具有重要的影响,受到节理倾角、节理间距和节理重叠度的制约。随着节理间距的减小,断续节理岩体模型的归一化强度和试样表面最大位移变形量值均减小；当节理倾角小于等于45°时,断续节理岩体的归一化强度和试样表面最大位移变形量值随着节理重叠度的减小而减小(2)在上述室内物理模型试验的基础上,采用颗粒流数值模型试验扩展研究了断续节理岩体结构几何参数力学效应。首先对数值模型中完整材料的微观参数通过与物理试验结果校验的方法进行确定；然后,通过反演分析确定了数值模型中节理张开度及相应的微观力学参数。在确定的微观力学参数体系基础上,系统研究了断续节理岩体节理倾角、节理连续度和节理张开度力学效应。节理倾角和节理连续度对断续节理岩体的力学性质影响显著,节理张开度对断续节理岩体力学性质的影响随节理倾角的变化而变化。节理表面的接触和相互作用对断续节理岩体宏观力学性质具有重要影响。(3)采用锚杆对84块不同几何结构断续节理岩体物理模型试样进行锚固约束,研究侧向定刚度约束条件下断续节理岩体的结构效应。同时,采用颗粒流数值模型试验研究了侧向定压力约束条件下断续节理岩体的结构效应。研究表明,尽管侧向应力对断续节理岩体的破坏模式影响较小,但可以有效地增加各个倾角水平下断续节理岩体的强度。当断续节理岩体中节理倾角为30°、45°和60°时,采用锚杆进行支护可以提高岩体的承载力；当节理倾角为0°和15°或75°和90°时,采用增加支护应力的措施可以提高岩体的承载力；在锚杆上施加预紧力是进行岩体加固的有效措施。(4)在上述单向、双向应力环境下模型试验的基础上,采用颗粒流数值模型试验研究了隧道开挖三向应力环境下断续节理岩体节理倾角力学效应。阐明了在无支护应力条件下断续节理岩体受预制节理倾角的影响主要表现的三种破坏模式,即完整材料破坏、阶段型破坏和平面破坏。完整材料破坏模式下断续节理岩体的强度较高,阶梯型破坏和平面破坏模式下断续节理岩体的强度较低。断续节理岩体自由面的收敛变形分为三个阶段,每个阶段收敛变形的大小受到节理倾角和支护应力的影响。提高自由面上的支护力可以大大提高断续节理岩体的强度,一定条件下,断续节理岩体强度的平均增量可以达到所施加支护应力10倍以上。(5)在三向应力环境下,采用颗粒流数值模型试验进一步系统研究了断续节理岩体结构效应中节理力学参数效应。考虑粘接的平滑节理模型,分别研究了断续节理岩体节理法向刚度、剪切刚度、节理摩擦系数、节理内摩察角、节理内聚力和节理抗拉强度的力学效应。研究揭示了在三向应力环境下沿原有节理的剪切滑移是造成断续节理岩体破坏的机制,节理力学参数中与节理剪切强度相关的参数,如节理内聚力和节理内摩擦角,对断续节理岩体的宏观力学性质起到主要作用。
[Abstract]:In this paper , the mechanical effects of jointed rock mass are studied by physical model test and particle flow numerical model test . ( 4 ) On the basis of the above - mentioned model test of unidirectional and bi - directional stress environment , the mechanical effect of jointed rock mass under three - direction stress environment is studied by using particle flow numerical model test .

【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

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本文编号：1487403