裂隙岩体表征单元体及力学特性尺寸效应研究

【摘要】：本文选题以国家自然科学基金重点项目[50239070]“裂隙岩体的渗流与力学特性研究”为背景,重点对裂隙岩体的表征单元体(REV)与力学特性尺寸效应进行研究,具体包括:表征单元体的力学意义、裂隙岩体表征单元体与岩体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系、裂隙岩体表征单元体的确定方法、裂隙岩体变形与强度特性的尺寸效应、基于REV的岩体力学参数取值及数值分析方法等。主要内容有: 通过对表征单元体定义的分析,指出表征单元体蕴含着“微观与宏观”、“离散与连续”、“随机性与确定性”的对立统一的辨证思想,同时反映了材料性质的尺寸效应。因此,裂隙岩体表征单元体应该作为一个基本的岩体力学问题加以重视。分析了裂隙岩体表征单元体与岩体介质类型选取及力学参数取值之间的密切关系,认为裂隙岩体表征单元体的大小可以作为准确选择岩体介质类型的定量标准,也是合理选择与等效连续介质模型相关的力学参数的重要依据。对于具体的岩体工程,首先根据断层、软弱夹层等大型结构面进行地质分区。在同一地质分区内,如果岩体的表征单元体存在且较小,可以将岩体视为等效连续介质处理;若REV相比与岩体区域尺寸较大或不存在,则应该不连续介质处理。另外,对于采用等效连续介质模型的岩体力学参数研究来说,主要包含三方面的问题:(1)确定裂隙岩体REV的大小;(2)确定REV内的岩体等效连续属性;(3)寻找岩体性质随岩体体积的变化规律,为确定岩体体积小于REV时的力学参数提供依据。 介绍了三种确定裂隙岩体表征单元体的方法,即能量迭加方法、地质统计方法与数值模拟方法,并通过实例分别对其可行性进行了验证。其中,重点介绍了岩体裂隙网络模拟技术,以作为研究裂隙岩体表征单元体的基础。详细阐述了基于裂隙网络生成技术、采用数值模拟方法确定裂隙岩体表征单元体的基本思路与技术路线。结果表明,三种方法均能有效的确定随机裂隙岩体表征单元体的大小。基于裂隙网络模拟技术的数值试验方法能够灵活处理裂隙岩体系统详尽的几何特征与力学特性,且不受研究尺度的限制,因而是研究裂隙岩体表征单元体的主流方法。数值试验的准确性主要依赖于对岩块和裂隙力学特性的准确把握。 综合采用岩体裂隙网络生成技术与数值分析方法,重点研究了裂隙岩体变形与强度特性的表征单元体大小与尺寸效应。本文的大量数值试验结果表明,随机裂隙岩体的弹性模量、抗剪强度、抗压强度等指标均随岩体体积的增大而变化,表现出明显的尺寸效应,但当岩体体积增大到一定值后,这些指标均趋于稳定。通