规则节理岩体各向异性变形张量理论与经验强度准则研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mulang608
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节理岩体作为工程岩体在水利水电、隧道、边坡等岩石工程中广泛出露,在岩石材料非均质性以及节理系统非连续性、成组性和随机性等天然属性的影响下,表现出复杂的空间各向异性变形破坏特征,显著影响和制约着工程岩体的力学行为和稳定性。节理系统对完整岩石力学特性的各向异性弱化是导致节理岩体工程失稳风险显著增加的关键因素。因此,本文以节理岩体为研究对象,围绕着可靠完整岩石力学参数的获取方法以及节理对完整岩石变形破坏特性的各向异性弱化机制展开研究,以建立相应的节理岩体各向异性变形破坏特性评价理论与方法,主要研究工作如下:  (1)鉴于完整岩石材料非均质性所引起的岩石力学参数的离散性,系统对比了已有基于岩石力学参数先验统计信息的参数均值取值可靠程度的评价方法(CIA和DSNA),揭示了不同方法对试验所需试样个数评价结果差异的原因,明确了已有方法的适用范围,促进了方法的合理运用和推广。针对岩石力学参数先验统计信息未知情况,建立了基于试验过程的可靠岩石力学参数动态获取方法(CIDA),通过CIA的核心理论以及试验过程中不断获取的岩石力学参数信息,实时判断当前试验所获得的岩石力学参数是否满足均值偏差要求,动态调整试验进程,在试验次数和时间最小化的同时,保证岩石力学参数均值取值的可靠程度。  (2)在Oda裂隙张量的基础上,综合考虑了节理系统的变形特性,提出了节理变形张量,实现了节理系统空间几何和变形特性的单一参量表征,为节理岩体抗变形能力和空间各向异性变形特征的评价提供了理论基础。基于单组节理变形张量和节理系统综合节理变形张量的特征系统建立了节理岩体等效弹性变形张量本构模型,推导出了节理岩体空间等效弹性变形柔度矩阵的完备解析解。3DEC数值试验结果表明,基于单组节理变形张量的岩体张量变形本构模型能够准确描述含多组任意方位节理系统岩体的空间等效弹性变形特性;基于综合节理变形张量的岩体张量变形本构模型适用于含正交节理系统的岩体以及含法向变形与切向变形刚度相当的任意节理系统的岩体的变形评价。采用节理岩体张量变形本构模型系统分析了含单组节理岩体(或层状岩体)和含复杂节理系统岩体的空间各向异性变形特性。在此基础上,采用偏节理变形张量第二不变量和零阶节理变形张量建立了节理岩体空间等效弹性变形各向异性特征和程度评价指标EDAI,为工程稳定性分析时节理岩体变形特性的合理等效提供量化依据。  (3)采用Flat-joint和Smooth-joint接触模型分别模拟完整岩石材料和节理单元模型颗粒间的相互作用特性,通过研究揭示了颗粒模型结构细观参数和接触细观参数对完整岩石和非贯通节理岩体颗粒模型宏观力学特性的影响规律。以完整相似材料试样以及含单条非贯通张开节理相似材料试样室内试验结果为参照,从宏观参数数值大小和破坏模式两方面系统校验并确定了完整岩石颗粒模型和节理单元接触模型细观参数,建立了能够合理反映完整岩石材料力学特性以及节理与节理、节理与完整岩石材料相互作用机制的非贯通节理岩体颗粒模型,使系统且准确评价不同节理组构条件下非贯通张开节理岩体各向异性强度特性成为可能。  (4)通过数值试验和室内试验揭示了非贯通张开节理和闭合节理对完整岩石强度特性的各向异性弱化机制。对于张开节理,通过数值试验系统分析单组节理组构特征以及完整岩石材料压拉强度比对岩体破坏机制以及各向异性强度特性的影响规律;对于闭合节理,通过含单条和具有典型组构特征的单组非贯通闭合节理相似材料试样的室内试验,结合压剪型裂纹扩展理论,深入剖析了闭合节理对完整岩石强度的各向异性弱化机制,并与非贯通张开节理进行了对比,凝练出了影响非贯通节理岩体各向异性强度特性的主要因素。  (5)基于单组非贯通张开节理对完整岩石强度的各向异性弱化机制和规律,提出了非贯通节理系数,统一量化了具有不同节理组构特征的非贯通张开节理系统对完整岩石强度的弱化程度。在此基础上,建立了基于非贯通节理系数的单组非贯通张开节理岩体经验强度评价准则。该准则能够很好地评价单组非贯通张开节理岩体在不同破坏模式下的各向异性强度特性,运用简单,具有明确的物理意义。  (6)根据白鹤滩左岸坝基柱状节理岩体结构特征的现场调查和测量结果,采用节理变形张量理论和各向异性变形评价指标详细分析了白鹤滩左岸坝基柱状节理岩体的空间各向异性变形特征,分析结果表明白鹤滩左岸坝基柱状节理岩体具有近似横观各向同性的空间变形特性,并通过柱状节理岩体现场真三轴试验进一步验证了节理岩体张量变形本构模型的合理性。同时,基于含具有不同组构特征的非贯通节理相似材料试样的室内试验结果,从实例分析的角度很好地验证了单组非贯通张开节理岩体经验强度准则的准确性。
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