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基于不共面非贯通节理岩体的扩展贯通分析

时间:2022-05-13 08:05 | 栏目:路基工程论文 | 浏览:

硕士论文网第2022-05-13期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇路基工程论文文章《基于不共面非贯通节理岩体的扩展贯通分析》,供大家在写论文时进行参考。
通过颗粒力链演化情况、法向接触力及切向接触力的分布、测量圆监测岩桥与节理应力三种细观机理分析,认为不同剪应变所对应的力链图能真实反映颗粒间接触大小,给出了岩桥贯通路径。玫瑰接触力图及测量圆分别从两个不同角度解释了 60°节理倾角抗剪强度大于 15°节理倾角抗剪强度,验证了室内试验得到数据的正确性及合理性。
第一章 绪论
1.1 研究目的和意义
随着我国经济水平高速发展和城市化建设的需要,建设大型工程的数量逐年增加,例如南水北调工程,西气东输工程,昆沪线、成昆线和贵广线高速铁路建设等。其工程通常处于岩体这一复杂地质介质,因此对岩体的强度和变形研究具有极高的工程价值和应用前景。岩体作为一种复杂的地质介质,在漫长的地壳运动中形成了不规则的构造痕迹。岩体不是均质的,而是许许多多的滑动面、裂隙、节理、弱面、夹层以及断层等组成的非均质各向异性和非连续的复合结构体[1]。被断裂面分割的岩层或岩体沿着断裂面没有发生显著的相对位移,或者相对位移很小的断裂构造,称为节理[2]。工程岩体的破坏和失稳通常是由于节理面的张开、闭合和岩桥贯通所引起的。依据节理面是否贯通整个岩体,可分为贯通节理岩体与非贯通(断续)节理岩体[3]。若岩体中存在连续且贯穿边界的节理,则称为贯通节理岩体;若岩体中存在一条或多条相互交错发育,未将整个岩体完全分离,则称为非贯通节理岩体。前者的强度主要由节理面粗糙程度和起伏角等决定,而后者的强度主要由节理的倾角和迹长等决定。非贯通节理岩体的破坏通常是由于原生节理在外部荷载作用下产生次生裂纹,次生裂纹的扩展与原生节理贯通整个岩体产生破坏。岩体的破坏通常是由节理和岩桥共同破坏所组成,岩体的抗剪强度也由节理和岩桥共同承担[4]。由于岩桥的存在,非贯通节理岩体力学性能演化与破裂特征也会不同。通常表现为节理端部高度应力集中,导致脆性断裂破坏,整体的破坏特征表现为原生节理和自节理端部扩展的岩桥断面所组成的复合破坏面[5]。岩桥的贯通破坏模式及其变形和强度特性在很大程度上取决的非贯通节理面的规模、密度和空间分布的特征控制。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 非贯通节理的预制方法
对于贯通节理,有学者研究其起伏角以及 12 条 Barton 节理对岩体强度和变形的影响;对于非贯通节理,也有学者研究其节理长度和倾斜角度的影响。对以上的规律研究存在取样困难,因此非贯通节理岩体的室内试验常用类岩石材料预制节理来实现。类岩石材料常用水泥、水、砂子以及石膏等其他材料混合制成。类岩石材料能满足岩石材料两个重要的特征即:脆性与剪胀性,该模拟方法已得到广泛运用。模拟节理的方法通常在浇筑水泥砂浆后,预埋云母片或金属片,也有在试件养护完成后,利用高压水刀进行切割。考虑其成本因素使用较多方法为预埋金属片。刘东燕(1994)[6]选用厚度为 0.07~0.2mm 的紫铜片。白世伟(1999)[7]将薄钢片沿试样中部预埋于指定位置,利用石膏混合料在初凝过程自发热,形成闭合节理。陈新(2011)[8]在模具盖板上预埋 0.3mm 厚的不锈钢片形成张开节理。高青鹏(2019)[9]采用厚度为 0.6mm 的云母片预制张开节理。杨圣奇(2007)[10]采用高速电动切割机切割形成张开节理,并填充石膏等强度较低的介质。李银平(2004)[11]通过机器钻孔和手工打磨两个步骤,在大理岩内部预制张开节理。
第二章 不共面非贯通节理岩体试验方案设计
在工程实际中,岩体的节理和裂隙相互交错排列分布形式多样,为方便试验研究,将其简化为不同类型。国内外对节理裂隙岩体试验方法主要有单轴、常规三轴和直剪试验,与单轴压缩试验相比,室内常规三轴和直剪试验的环境更接近于工程岩体中的受力情况。本章简单概述单轴或常规三轴试验节理岩体几何分布,主要介绍直剪试验研究非贯通节理岩体的不同工况。通过直剪试验,可研究非贯通节理岩体峰值抗剪强度及裂纹扩展路径。
2.1 节理岩体几何分布形态
2.1.1 单轴及常规三轴试验中节理岩体几何分布类型
国内外研究学者对节理岩体的单轴试验研究较多,主要集中研究单条节理的力学性质,但与工程实际情况相差甚远。由于节理的分列排布形式不同,借鉴几种常见非贯通节理岩体试验试样,按照节理数量来分类。
1.一条非贯通节理几何模型
非贯通单一节理岩体几何模型图如图 2-1 所示[42],该模型大多进行单轴压缩实验,分析裂纹扩展及其单轴抗压强度影响因素,研究成果丰富,建立的理论强度公式也较多。
非贯通单一节理岩体几何模型
2.2 不共面非贯通节理岩体试样制备
岩体中节理的长度及倾角反映非贯通节理岩体的连续性。研究不同节理产状(迹长、倾角、起伏角等)对非贯通节理岩体的强度变形特性、破坏贯通机理等具有十分重要的意义。但是天然的节理岩体采样十分困难,由于岩石风化程度不同、节理间软弱填充物性质不一等,导致室内试验的力学性质有较大差异,无法进行规律性研究。预制节理的方法主要有拉断法、喷砂法、浇筑法等。拉断法即使用巴西劈裂试验设备将完整岩石拉断,但难以控制节理的长度及倾角;喷砂法即将岩石锯开,经过不同喷砂粒径处理形成节理面,人为加工形成的节理面可能会对整个岩块强度造成影响;浇筑法即制作预定尺寸的模具,向其中浇筑混凝土,通过预埋薄钢片或云母片的方法形成节理。综上所述,考虑成本及方便等因素,本文采用浇筑法预制非贯通节理。国内外研究学者常用的浇筑材料有水泥砂浆、石膏等。本文试验采用水泥砂浆制作带有倾角的节理岩体,对试件在 RMT-301 岩石与混凝土力学实验系统进行直剪试验,探讨不同节理倾角在不同法向应力作用下的剪切力学特性。
不共面非贯通节理岩体制作流程
第三章 不共面非贯通节理岩体试验结果分析............................................................................ 19
3.1 节理及岩桥力学性质........................................................................................................19
3.2 不共面非贯通节理岩体变形特性................................................................................... 22
3.3 不共面非贯通节理岩体强度特性................................................................................... 33
第四章 不共面非贯通节理岩体破坏机制及贯通模式分析........................................................ 41
4.1 不共面非贯通节理岩体岩桥破坏机制分析................................................................... 41
4.2 不共面非贯通节理岩体贯通破坏路径........................................................................... 45
4.3 不共面非贯通节理岩体贯通破坏实验研究................................................................... 48
4.4 岩桥破坏机理分析............................................................................................................56
第五章 不共面非贯通节理岩体数值模拟研究............................................................................ 60
5.1 颗粒流程序基本原理........................................................................................................60
5.2 宏细观参数影响分析........................................................................................................64
5.3 试验结果对比分析............................................................................................................74
5.4 细观机理分析....................................................................................................................81
第五章 不共面非贯通节理岩体数值模拟研究
岩体中广泛存在不连续结构面,如节理、层理、褶皱等,是不同时期的地质产物。节理大量随机分布于岩体中,使得岩体的力学性质(抗压强度、弹性模量等)表现出各向异性。因此,深入研究节理岩体的力学性质及破坏失稳机理是保证岩土工程安全施工重要的基石[59]。目前获取节理力学性质最常用的方法是通过室内直剪试验,该试验最大优点在于能完整呈现节理的天然状态,使室内试验测得的数据准确、可靠。R.E.Godman 等[60]较早开展了节理岩体直剪实验,研究其变形及强度特性。但是由于节理分布的随机性,使得难以获取具有相同节理形貌的试块,造成室内试验数据离散、规律性较差。试验过程所耗费的资源成本等问题也是制约节理力学实验广泛运用的根本原因。而且,室内试验只能得到剪切强度、剪切模量等宏观参数结果,无法从细观角度揭示岩体破坏失稳的细观力学机理。随着计算机技术快速发展,计算机数值模拟技术成为科学和工程领域解决问题主流方法,并与理论推导、实验分析共同成为科学研究的三大支柱。节理岩体作为一种非连续介质材料,若用传统的连续介质理论去分析其变形破坏机理,将无法真实反映节理及岩体的弱化情况。颗粒流离散元法可从细观角度构建圆形颗粒模型,采用有限差分理论反复迭代能反映非连续介质的软化现象,以及破碎及
裂纹的生成。因此该方法已被广泛运用与节理岩体的基本力学特性研究[61]。
两种黏结模型及其细观力学行为示意图
第六章 结论与展望
本论文研究工作依托国家自然科学基金项目《岩桥力学性质弱化及对非贯通节理岩体强度影响研究》(NO.11562005)。采用室内试验和数值模拟分析,对不共面非贯通节理岩体的变形、强度、破坏机制以及裂纹扩展贯通形式进行了研究,主要结论如下:
1.考虑材料相似性原则,以 325R 复合硅酸盐水泥作为胶结材料,选择级配较为连续的七眼砂作为骨料,按照质量配合比砂子:水泥:水=3:2:1 进行预制类岩石材料,其力学性质与页岩相似。
2.对不共面非贯通节理岩体共进行 56 次直剪试验,剪应力-应变曲线具有明显的阶段性:线弹性阶段、节理起裂扩展阶段、岩桥断裂贯通阶段、峰后残余摩擦阶段。节理岩体的抗剪强度随法向应力增大而增大;相同倾角的节理岩体逆向剪切强度大于顺向剪切强度;不共面非贯通节理岩体的峰值抗剪强度随节理倾角呈三角函数关系变化;剪切过程中节理岩体先剪胀后剪缩。
3.认为节理倾角对不共面非贯通节理岩体的破坏模式有较大影响。节理岩体受压剪作用时,节理尖端首先开裂,再逐渐贯通岩桥。当节理倾角较小时,节理尖端与相邻节理尾端进行搭接产生破坏;当节理倾角较大时,相邻节理尖端相连、尾端相连。特别地,当节理倾角为 0°时,节理岩体沿剪切面发生剪切破坏。不共面非贯通节理岩体的抗剪强度与岩桥贯通破坏的长度有关,岩桥破坏的长度越长,抗剪强度越大。
4.设计 32 组正交试验进行细观参数影响性分析,并结合室内常规三轴试验验证。将标定得到的参数用于直剪数值模拟中,数值模拟结果与室内试验吻合度较好,验证了细观参数选取的正确性。
5.通过颗粒力链演化情况、法向接触力及切向接触力的分布、测量圆监测岩桥与节理应力三种细观机理分析,认为不同剪应变所对应的力链图能真实反映颗粒间接触大小,给出了岩桥贯通路径。玫瑰接触力图及测量圆分别从两个不同角度解释了 60°节理倾角抗剪强度大于 15°节理倾角抗剪强度,验证了室内试验得到数据的正确性及合理性。


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