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《中国地质大学》 2008年
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复杂裂隙岩体等效力学参数及工程应用研究

章广成  
【摘要】: 岩体力学参数研究之所以复杂且多年来一直被众多学者关注,在于岩体内部发育了大量不同规模的结构面。一般说来,大多数造岩矿物都可以认为是线性弹性体,但是岩石是多矿物的多晶体,有些晶体发育并不完全。此外,岩石构造中总有这样或那样的缺陷,如晶粒排列不细密,有细微裂隙、孔隙、软弱面等等,这样就使得岩石在荷载作用下的变形特性与造岩矿物有所不同。至于岩体,由于存在各种节理、裂隙、断层等天然结构面,则其变形特性就更加复杂。由于这些结构面的存在,使得岩体宏观力学参数表现出不均匀性、各向异性和尺寸效应等特征。岩体等效力学参数与岩体中发育的结构面的粗糙度、大小、隙宽、产状和分布密度等有关。因而,在研究岩体等效参数之前,首先得分析岩体中结构面的分布规律及其特征。 在岩体工程中,根据结构面发育规模,可将其分为五级,各级结构面对岩体力学性质及稳定性所起的作用不同,本文的研究对象是具有随机分布特征的Ⅳ、Ⅴ级结构面,其中Ⅳ级结构面的发育情况,直接反映了岩体的完整性,控制着岩体的强度,它的发育程度、特性和组合状态等都影响到岩体的工程地质特性和受力后岩体变形、破坏的方式。这类结构面的分布极为复杂,但从统计意义上来说,反映岩体结构面分布特征的几何参数服从一定的概率分布规律。目前工程上通常在野外精测线统计的基础上,运用概率统计学的原理,采用Monte-Carlo模拟技术,借助计算机等处理手段,模拟与实测结构面在统计特征上相同的结构面网络,进而可确定一系列具有普遍意义的岩体力学参数,包括岩体变形参数和强度参数。 岩体的变形主要是岩块、不连续面及充填物三者变形的总和,而后两者的变形起着控制作用。常采用弹性模量、变形模量及泊松比等指标表征岩体的变形特性,实际工程中可通过室内试验与现场试验来研究岩体的变形特性,该方法测得的变形参数仅能反映岩样或测试点周围有限范围内岩体的力学特性,不能代表所测岩体的宏观变形参数。由于试验方法存在局限性,国内外专家学者们提出按经验来估算岩体变形参数。主要估算方法有岩体质量计算法(RMR法、Q法、GSI法和RMi法等)和声波测试法等。近年来,随着分形几何、遗传算法、模糊数学和神经网络等非线性学科的发展,使其在岩体参数估算中得到越来越广泛的应用,位移反分析作为另一种力学参数确定方法也不宜忽视。 人们对岩体强度理论的研究,最早始于18世纪Rankine提出的最大正应力理论。在一百多年的发展过程中,岩体强度理论一直是众多专家、学者研究的重点,并已提出许多有应用价值的强度准则。在岩体强度理论还不完善的今天,经验强度准则占据了重要的位置,尤其是Hoek-Brown强度准则。而相关强度参数的确定则成为国内外研究的前缘课题。在漫长的地质历史条件下,岩石受各种各样的构造作用产生了形态各异、大小不等的多种结构面,当外荷进一步作用时,这些岩石力学性质在一定程度上受这些结构面控制,或者说,岩体的破坏实质上是结构面的相互作用与扩展的过程,因而从岩体破坏机理出发研究岩体强度具有重要的理论和工程意义。工程岩体的破坏通常是由大量非贯通节理和岩桥共同破坏组成的,与贯通节理岩体相比,非贯通节理岩体的受力及破坏特征有很大的变化,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。而岩桥的变形、贯通破坏模式和强度特性在很大程度上受非贯通节理面的规模、密度和空间分布特征的控制。 如何根据所测岩石和裂隙的力学参数、岩体节理裂隙分布情况及初始应力条件,评价岩体的力学参数是值得研究的问题。从宏观来看,岩体由岩石和不同结构面组成,相互结合后的岩体的综合强度及变形参数很难确定。然而岩体力学参数是岩土工程稳定性评价和设计最直接、最重要的依据,直接决定计算分析成果,关系到能否充分利用岩体自身承载能力、节省岩体加固和支护的工程量及工程费用,因而准确确定岩体力学参数是岩土工程设计的关键。确定岩体力学参数最常用的是等效连续介质法。等效连续介质法是将岩体近似看作连续介质,依照一定的等效原则进行处理而获取岩体的宏观力学参数,它从本质上来说是一种近似处理的方法。 本文运用岩体力学、弹性力学和断裂力学相结合,数理统计分析和数值分析方法相结合,拱坝与周围地质体相结合的系统研究方法,编制了裂隙岩体三维结构面网络模拟程序,提出了结构面体积频率的计算方法;以应变等效原理为前提,推导了复杂裂隙岩体等效变形参数的计算方法,同时基于断裂力学理论、Griffith强度理论和Mohr-Coulomb强度理论,提出裂隙尖端可能扩展方向的确定方法,进而探析岩桥的破坏机理,分析复杂裂隙岩体等效抗剪强度参数的确定方法。最后以贵州省鱼简河水库拱坝坝肩裂隙岩体为研究对象,分析了坝址区岩体节理发育特征,对岩体的宏观变形参数和综合抗剪强度参数进行了估算,并利用有限元软件ANSYS分析了拱坝的变形和应力场特征。论文完成的主要工作包括以下几个方面: 1、介绍了Kulatilake测窗法和测线法平均迹长的估算方法,提供了结构面几何参数几种常见的概率密度函数随机数生成方法。鱼简河水库坝址区岩体发育的结构面几何参数统计结果分析表明,结构面间距服从负指数分布,倾向服从对数正态或正态分布,倾角服从对数正态、正态或指数分布,迹长服从负指数或对数正态分布,隙宽服从负指数、正态或对数正态分布。接着利用Mircosoft EXCEL 2007提供产生均匀随机数的函数RAND(),编写了常见概率密度函数随机数生成程序,最后根据AtuoCAD软件的Visual LISP语言编制了岩体三维结构面网络模拟可视化程序,并应用于鱼简河水库坝址区岩体。 2、基于结构面网络模拟程序,提出岩体结构面体积频率的计算方法。确定任意组结构面体积频率的基本思路为:给该组结构面体积频率赋一初值,根据该值利用岩体三维结构面网络模拟程序,生成一个岩体结构面网络样本,计算该样本在测线走向上的线频率;然后改变该组结构面体积频率大小,按照上述过程再计算该组结构面在测线走向上的线频率,根据一系列体积频率和与之对应的线频率,建立两者之间的函数关系,然后将该组结构面测线走向上的实测线频率带入该函数,即可确定其体积频率。岩体结构面总的体积频率为各组结构面体积频率的代数和。体积频率的分析结果表明:①结构面线频率λ与体积频率λ_v呈现良好的线性关系,可用形如λ_v=aλ(其中a为常数)的函数表示;②当迹长服从负指数分布时,常数a约为2.5~4.0,而当迹长服从对数正态分布时,常数a约为1.0。 3、提出裂隙岩体等效变形参数的估算方法。将岩体变形视为完整岩块变形和结构面变形两部分变形之和,分别研究完整岩块和结构面变形的计算方法,然后利用“应变等效原理”对所有结构面逐一进行等效,最后得到岩体的等效变形参数。复杂裂隙岩体等效变形参数的计算公式为(4-51)和(4-52)。以贵州省鱼简河水库拱坝工程为例,计算了拱坝坝肩共7个岩组的等效变形参数,并分析了它们的力学尺度效应和不同尺度下的波动性,得到两个结论:①岩体尺寸越大,变形参数波动性越小,即岩体变形参数随尺寸增大逐渐趋于稳定,而且最终不同尺寸下的岩体变形参数稳定性为一固定值;②结构面与岩石变形参数差别越大,岩体变形参数折减程度越大,随着结构面变形参数增大,岩体变形参数对结构面变形参数的敏感度降低,达到某一值后,甚至可以不考虑结构面变形参数的影响。 4、裂纹扩展机理的探讨。通过对前人试验和观点的总结,结合断裂力学理论,推导了单裂隙岩体周围应力场函数的表达式,依据Griffith强度理论确定了裂隙尖端张裂纹的可能扩展方向,即张裂角θ_t,确定张裂角的公式为(5-29)。由该公式可知,若函数G<0,则等式β(θ_1)=0成立时,θ_t=θ_1,此时张裂纹扩展方向与最大主应力方向一致,若函数G>0,则等式f(θ_1)=0成立时,θ_t=θ_1,此时张裂纹扩展方向与最大主应力存在一个夹角,夹角大小为β;依据Mohr-Coulomb强度理论确定了裂隙尖端剪裂纹的可能扩展方向,即剪裂角θ_c,剪切裂纹方向与最大主应力方向的夹角为π/4+φ/2(φ为岩石的内摩擦角)。任何情况下,张裂角和剪裂角都满足关系式(5-30)。将此结论推广到非贯通双节理中,归纳了非贯通双节理岩桥的三种破坏模式,即拉破坏、剪切破坏和复合拉剪破坏。 5、提出了含单组随机节理岩体的抗剪强度参数估算方法。假设二维岩体结构面网络模型内发育有一组等倾角的节理,该节理的间距和迹长服从某概率密度函数随机分布规律,岩体破坏时破坏面涉及到的节理的中心点都落在破坏面始末点的连线上。相邻节理之间的岩桥破坏机理可根据上述结论进行判断,同时可计算相应的张裂纹和剪裂纹的倾角和长度。根据Lajtai岩桥破坏理论,可确定各段节理面和岩桥的抗剪力和剪切力,从而可计算破坏路径上总抗剪力和剪切力,两者相等时即为岩体破坏的临界条件,根据上述假设和原理编制了岩体抗剪强度计算程序。根据一系列临界应力条件,按照Mohr-Coulomb强度理论,可确定考虑该组节理岩体的宏观抗剪强度参数。分别预测每一组结构面单独存在时岩体的抗剪强度,取最小抗剪强度作为岩体的综合强度。最后以贵州省鱼简河水库拱坝工程为例,对坝址区岩体抗剪强度进行了预测。 6、以贵州省鱼简河水库拱坝工程为例,建立了该拱坝工程的三维地质模型,利用有限元方法,分析了该拱坝坝体的应力场和变形场的分布特征,由于地层T_(2s)~(3-2)岩体有多层软弱夹层,其变形参数难以准确确定,故分析了该层岩体变形模量在不同工况下对坝体的变形的影响分析。结果表明,坝体在x方向的位移较小,且受变形参数和外部荷载的影响甚微,可以忽略不计,坝体在Y方向的位移受静水压力的影响较大,其次为地层T_(2s)~(3-2)变形参数的影响。 本文的主要创新性成果有: 1、提出了岩体结构面体积频率的一种计算方法。该方法能与岩体结构面网络模拟有机结合。 2、提出了复杂裂隙岩体等效变形参数和含单组随机节理岩体的抗剪强度参数的确定方法。为工程应用提供了可靠的依据。 3、提出了裂隙尖端张裂纹和剪裂纹可能扩展方向的确定方法。依据Griffith强度理论提出了裂隙尖端张裂纹的可能扩展方向,依据M0hr-Coulomb强度理论确定了裂隙尖端剪裂纹的可能扩展方向。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TU452

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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5 隋金雪;杨莉;华臻;张鑫;;改进的BP网络在火焰燃烧状态识别中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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9 朱松;随机回归神经网络的动力学行为研究[D];华中科技大学;2010年
10 毛海涛;无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算方法和防渗措施的研究[D];新疆农业大学;2010年
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1 陈建伟;松软煤层回采工作面前方煤体应力分布及位移变化特征[D];河南理工大学;2010年
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4 李凡;;两条雁行预制裂隙贯通机制的细观数值模拟研究[A];岩石力学与工程的创新和实践:第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年
5 符平;杨晓东;;裂隙岩体水泥灌浆效果评价及数值模拟研究[A];中国水利学会地基与基础工程专业委员会第十一次全国学术技术研讨会论文集[C];2011年
6 吉小明;;裂隙岩体多重介质流固耦合分析的全耦合数学模型与有限元公式[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集(下册)[C];2003年
7 李宁;张平;陈蕴生;;裂隙岩体试验研究进展与思考[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
8 郑少河;姚海林;葛修润;;裂隙岩体非稳态渗流特性分析[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
9 刘先珊;朱德武;;考虑渗流应力耦合作用的裂隙岩体渗透特性研究[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
10 费文平;张志龙;张茹;;裂隙岩体三维网络模拟的研究进展[A];第六届全国地面岩石工程学术会议暨第二届岩土力学与工程前沿论坛论文集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 李志伟;“杰青”催化出来的优秀科学家[N];光明日报;2004年
2 陈兴旺安徽记者站 李远峰;天柱山启动摩崖石刻保护工程[N];中国旅游报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 章广成;复杂裂隙岩体等效力学参数及工程应用研究[D];中国地质大学;2008年
2 路威;裂隙岩体水流—传热模型试验与计算理论研究[D];北京交通大学;2012年
3 向文飞;裂隙岩体表征单元体及力学特性尺寸效应研究[D];武汉大学;2005年
4 张莉丽;裂隙岩体渗透典型单元体存在性[D];中国地质大学(北京);2011年
5 吴月秀;粗糙节理网络模拟及裂隙岩体水力耦合特性研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2010年
6 张占荣;裂隙岩体变形特性研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2010年
7 陈红江;裂隙岩体应力—损伤—渗流耦合理论、试验及工程应用研究[D];中南大学;2010年
8 郑春梅;基于DDA的裂隙岩体水力耦合研究[D];山东大学;2010年
9 黄戡;裂隙岩体中隧道注浆加固理论研究及工程应用[D];中南大学;2011年
10 陈芳;高坝坝区硬脆性裂隙岩体的流变强度时效模型及工程应用研究[D];山东大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘晓非;裂隙岩体块体化程度研究[D];中国地质大学(北京);2010年
2 项吕;渗流影响下裂隙岩体损伤断裂机制的数值分析研究[D];山东大学;2012年
3 孙健;裂隙岩体热—水—力三场耦合米级尺度模型试验及数值模拟研究[D];北京交通大学;2012年
4 陈瑜;水—岩作用下裂隙岩体力学性质及应力场—渗流场耦合作用分析[D];中南大学;2010年
5 林岱;大丽公路双龙隧道开挖过程中裂隙岩体损伤分析与研究[D];昆明理工大学;2011年
6 高超;大跨度小净距隧道支护结构力学特征研究[D];重庆交通大学;2012年
7 曹阿静;裂隙岩体渗流与应力耦合数值分析及其工程应用[D];武汉科技大学;2003年
8 徐前卫;裂隙岩体的破坏机理及其锚固效应研究[D];山东科技大学;2003年
9 张辛;基于等效渗透张量的裂隙岩体典型单元体存在性研究[D];中国地质大学(北京);2010年
10 盛芳;裂隙岩体的粘弹塑性应力变形分析及其工程应用[D];河海大学;2004年
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