基于UDEC节理岩体抗压强度的数值研究

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:vicky 点击次数:157
论文字数:49899 论文编号:sb2021040910160835120 日期:2021-04-21 来源:硕博论文网
笔者认为,针对含有复杂节理面的岩体,为了更加真实地还原节理分布,基于分形理论,采用 C++Builder 语言编写岩体节理网络程序,输入节理相关物理参数,生成节理网络图,此方法为节理网络的提取给出了参考。之后详细介绍了二维离散元软件 UDEC 探究岩体各向异性特性的基本思路和操作步骤,通过 UDEC 对不同种类的节理岩体进行抗压强度数值模拟并对其各向异性特性以及破坏机理进行了探究。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
岩体是在自然状态下经历地质作用而形成的综合体,工程中将含有大量节理、层理、断层等不连续结构面的岩体称为节理岩体[1]。近几十年来随着西部大开发、三峡大坝、西成高铁等一系列大规模工程的实施,岩土工程技术得到了越来越广泛的应用。人们对研究岩石力学特性重要性的认识也越来越深刻。岩体失稳、煤矿塌方、瓦斯突出等事故均受岩体节理面特征的影响,然而迄今为止,国内外的学者对不同类别,不同地区的岩体力学性质仍然不能进行准确的预测与把握。尺寸效应是指材料力学参数随试件尺寸变化而变化的现象,一般情况下随着尺寸的增大材料力学参数会逐渐减小并趋于某个定值,与此定值所对应的材料体积称为表征单元体(REV)[2],确定节理岩体的表征单元体是岩土工程稳定性计算的关键。
由于室内试验的限制条件,很难借助力学试验来获得大体积岩体的力学参数。国内外学者尝试利用小尺寸岩石试件的室内力学试验去推求节理岩体的力学参数[3,4]。因此对岩体参数尺寸效应进行深入地研究,为预估岩体强度提供了可能。
鉴于节理岩体种类的多样性,只研究单独一类岩体的力学性质显然不足,因此本文拟建立三类节理岩体数值模型,分别是:单一节理岩体、单组节理岩体、复杂节理岩体。其中针对单一节理岩体和单组节理岩体,模拟过程中采用控制变量法分别将节理面迹长、倾角、位置、间距等物理参数作为自变量,主要是研究抗压强度随节理产状的变化规律。而对于节理数目较多且分布复杂的岩体,尽可能准确地反映节理的分布规律是保证其抗压强度各向异性研究准确性的关键。研究表明,岩体的几何参数具有分形性,利用小范围的节理网络统计可以推求大范围的节理网络发育特征[5]。建立复杂节理岩体数值模型的方法就是基于分形理论,采用 C++Builder 语言编写岩体节理网络程序,并输入节理相关参数,生成复杂节理岩体网络图,选取不同取样角度、不同尺寸的岩体试件并获取与之对应的抗压强度值,之后对比数据,得出复杂节理岩体各向异性规律。
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1.2 研究现状
1.2.1 理论研究
自上世纪七十年代至今,国外诸多学者从实验研究、数值模拟等方面对节理角度与岩体抗压强度的关系进行了研究,并取得了一定的成果[6-11]。之后综合考虑了岩石和节理面不同类型的变形以及宏观节理与微观缺陷等因素分别建立了贯通节理损伤本构模型和非贯通节理损伤本构模型,并确立了成熟的节理强度理论,即 Jennings 准则和 Lajtai 岩桥破坏理论[12-16]。郭朋瑜等[17]通过对不同节理位置岩体的剪切强度和岩体破裂面形态进行对比分析,研究了岩体抗剪强度特性,结果表明岩体裂隙可以分为三种类型的受力区,且每种区域的面积比受节理位置所控制。汪杰等[18]基于损伤力学理论,借助全微分方法,建立了以节理倾角为变量的岩体损伤演化模型,得出了一种的求解岩体内部应力的经验公式,此公式综合考虑了节理倾角和围压的影响,并且与实测数据和其余两种强度准则相对比,其可靠性得到了证实。杨强等[19]为了使节理岩体几何特征与本构模型相结合,基于二阶损伤变量,建立了可以准确反映节理岩体各向异性规律的岩体屈服准则。
上世纪末,国内外专家分别基于能量理论和统计理论提出了岩体强度随尺寸的变化关系,并对尺寸效应的产生机理进行了深入的研究[20-24]。刘宝琛等[25]综合分析了不同种类岩体抗压强度随岩体尺寸的变化规律,提出了一种拟合程度较好的经验公式。王谦源等[26]通过置备相似材料,对节理岩体抗压强度随节理分形维数变化规律进行研究,试图寻找一种二维空间下的经验公式,结果表明岩体抗压强度随岩体尺寸的增大以负指数形式衰减,随分形维数的升高以线性形式衰减。陈庆发等[27]利用 General Block 建立了岩体裂隙网络,并与 3DEC 软件相结合,论述了几何 REV 和力学 REV 之间的相互关系。王晓明等[28]从节理岩体表征体的参数选取、量化方法及研究角度等方面详细地阐述了节理岩体表征单元体研究成果,并对其应用前景进行了展望。
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第 2 章 节理岩体各向异性及强度分析

2.1 概述
节理岩体的强度大小、破坏机制、活动性均受节理面的间距、连续性、密度等因素所控制。由于地质作用与风化作用的长期影响,岩体所形成的结构面具有多样性,常见的结构面类型有节理、片理、断层、层理等[57]。这些结构面相互交割使得岩体的力学性质不仅受岩性的影响,也受结构面的控制。因此存在结构面的岩体往往会与完整岩石的力学特性存在较大的差异,在外部荷载的作用下,节理岩体的力学性质表现为各向异性[58]。
本章将利用理论分析方式对不同种类的节理岩体强度特征进行讨论,以期为之后的数值研究提供理论支撑,论证本次研究方案的合理性。
表 2-1 各种岩体结构面抗剪强度指标取值范围
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2.2 岩体各向异性特征
岩性各向异性与构造各向异性共同作用决定了岩体的各向异性[59]。而在大部分室内试验中,岩性的各向异性往往是被忽略的,人们常常对一种类别的岩石用同一确定的指标去描述,这一做法是不准确的。例如同一块岩体中分割出的试件,其强度测试的结果有时会呈现很大的差异。
节理的空间分布对岩体各向异性的影响最为显著,例如节理的迹长、方向、密度都会使得岩石力学指标产生较大的差异性和离散性。节理表面形貌的各向异性会直接决定岩体力学行为的各向异性[60]。
岩体强度的定义是指岩石抵抗破坏的能力。岩体是岩石块体与裂隙结构面所组成的综合体,因此岩体强度并非是由岩块或结构面单一要素所控制的,而是两者相结合的结果[61]。但存在两种极端情况:当结构面不发育时,岩体强度较高近似于完整岩石强度;当岩体的开裂沿某一结构面发生时,岩体强度较低接近于结构面强度。而对于大多数岩体而言,岩体强度介于两者之间。目前,针对完整的岩石块体和节理面强度的研究已经较为完善,然而针对节理岩体强度特性的研究依旧存在大量的盲区,这就决定了深入研究节理岩体强度特征的必要性。
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第 3 章 岩石室内试验及岩体力学参数估算........................... 19
3.1 概述............................... 19
3.2 试件制备..................... 19
第 4 章 单一节理岩体抗压强度的数值模拟.................. 27
4.1 概述.......................... 27
4.2 UDEC 软件简介.................................. 27
第 5 章 单组节理岩体抗压强度的数值模拟..................... 43
5.1 概述.............................. 43
5.2 数值模型的建立.......................... 43

第 6 章 复杂节理岩体抗压强度的数值模拟

6.1 概述
岩土工程中最为常见的是含有多条随机分布节理面的复杂节理岩体,此类岩体的力学参数具有明显的尺寸效应,确定复杂节理岩体表征单元体(REV),探究其各向异性一直是岩石力学领域研究的重点问题[2]。研究表明节理分布、长度、间距等几何参数均符合分形特征,可基于分形理论反演岩体的节理网络。本文基于分形理论,采用 C++Builder 语言编写岩体节理网络程序,生成节理岩体网络图,以网络图中心为基点,选取节理岩体模拟试件。在此基础上以围压、岩体尺寸、取样角度为变量,利用 UDEC 模拟复杂节理岩体的抗压强度,研究其各向异性。
图 6-1 数值实验试件选取(取样角度为 30°)
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结论与展望

主要结论
岩体抗压强度因节理面的存在而呈现复杂的各向异性。本文在查阅大量文献基础上,总结了传统的岩体各向异性研究方法与理论强度准则。通过对江西某矿区岩石样本进行室内试验,得到标准岩石试件各项强度指标和物理力学参数,并利用 Hoek-Brown 法估算大体积岩体力学参数,为岩体力学参数的获取提供了借鉴。针对含有复杂节理面的岩体,为了更加真实地还原节理分布,基于分形理论,采用 C++Builder 语言编写岩体节理网络程序,输入节理相关物理参数,生成节理网络图,此方法为节理网络的提取给出了参考。之后详细介绍了二维离散元软件 UDEC 探究岩体各向异性特性的基本思路和操作步骤,通过 UDEC 对不同种类的节理岩体进行抗压强度数值模拟并对其各向异性特性以及破坏机理进行了探究,得出以下几点结论:
(1)当岩体只含有一条未切穿临空面时,岩体单轴抗压强度随节理面倾角的增加呈“U”形变化趋势,当节理面接近水平或垂直时,岩体抗压强度接近完整岩块强度;当节理面倾角接近 45°+φj时,岩体抗压强度接近节理面强度;当节理面倾角介于 φj~90°之间时,岩体抗压强度受节理面控制程度较高,并且随节理位置(节理尖端到受压面的距离)的增加呈线性增大趋势,随节理迹长比的增加呈非线性减小趋势,可拟合为二次函数关系。
(2)当岩体只含一组贯穿节理面时,岩体抗压强度会受节理倾角和节理间距共同作用所影响。围压一定时,随着节理间距的减小,不同节理倾角岩体的抗压强度会呈现不同程度的削弱:当节理面倾角接近 φj或者 90°时,抗压强度不会随节理间距的减小而发生明显的变化。当节理面倾角介于 φj~90°之间时,随着节理间距的减小,抗压强度呈现明显的下降趋势,并逐渐趋于一个定值,近似于负指数变化关系,同时岩体各向异性系数也随之增大,各向异性趋于明显。随着节理面倾角由 15°向 90°递增,岩体破坏模式依次为压碎破坏、剪切滑移破坏、劈裂破坏,并且 σ1-β 曲线呈“勺”形变化走势。围压的增大使得岩体抗压强度以线性趋势增长,岩体各向异性也随之减弱。
参考文献(略)

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