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非贯通裂隙岩体破坏细观特征及其宏观力学参数确定方法

张志强  
【摘要】: 针对岩体工程中最常见、最重要的非贯通裂隙岩体,以典型物理模型试验为基础,通过建立能反映不连续性、非均匀性、各向异性、非弹性等裂隙岩体基本特性的细观数值分析模型,开展了系统的非贯通裂隙岩样破坏模态与细观破坏机理数值试验研究;根据经物理模型试验标定的细观数值试验分析成果,总结了裂隙几何分布特征、裂隙面摩擦性以及应力条件对非贯通裂隙岩体破坏模式与强度的影响规律,建立了能反映裂隙几何分布特征、裂隙力学性质、岩块力学性质以及侧压等因素的非贯通裂隙岩体宏观变形参数、强度参数计算分析模型,并对所建立的宏观力学参数计算分析模型进行了讨论与验证。主要创新点如下: (1)为反映裂隙岩体的不连续性、非均匀性、各向异性、非弹性,建立了非均匀损伤破坏模型;通过典型的室内物理模型试验,验证了该非均匀损伤破坏模型的合理性与正确性;利用分析系统中特有的解析刚体模型改进了裂隙岩体细观破坏数值试验边界条件与加载板的模拟方法。 (2)利用所建的非均匀损伤破坏数值模型,对含一条、两条、多条(9条)裂隙的非贯通裂隙岩样,分别进行了系统的破坏模式与细观机理数值试验,着重分析了试样的第一主应力场、剪应力场、次生裂纹起裂与发展路径以及峰值强度等,总结了裂隙几何分布特征、裂隙面摩擦性质以及侧压对试样应力场、次生裂纹起裂与发展路径以及试样峰值强度的影响规律,提炼了非贯通裂隙岩体典型的破坏模式——单平面模式和台阶模式。 (3)基于变形等效原理和裂隙岩体细观变形特征,推导了含单组非贯通裂隙岩体变形参数(变形模量、泊松比、剪切模量)计算分析模型,研究了岩体变形模量、泊松比、剪切模量等变形参数随岩体裂隙连通率、裂隙倾角、裂隙厚度率的变化规律;进一步推导了含多组非贯通裂隙岩体变形模量、泊松比计算分析模型,研究了含多组裂隙岩体的变形模量、泊松比随裂隙几何分布特性、裂隙变形参数、岩块变形参数的变化规律;并利用物理模型试验结果对计算分析模型进行了验证。 (4)基于单平面破坏和台阶破坏两种模式假定,分别推导了发生单平面破坏、台阶破坏条件下非贯通裂隙岩体宏观剪切强度参数(粘聚力、内摩擦角)、抗压强度计算公式,并提出了相应的强度准则;进一步讨论了非贯通裂隙岩体剪切强度以及其参数、抗压强度受裂隙粘聚力、裂隙摩擦角、裂隙连通率、裂隙间距、裂隙排距、裂隙倾角、岩桥粘聚力、岩桥摩擦角、岩桥倾角的影响关系;对建立的分析计算公式进行了验证与讨论。


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