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节理岩体强度确定方法及其各向异性特征研究

张志刚  
【摘要】: 节理岩体强度对岩体工程的设计、稳定性评价及数值计算等方面均有着显著的影响,同时,它的准确确定又是岩体工程研究中所面临的最大难题之一。尽管国内外学者从经验总结、理论推导、现场试验、模型试验及数值模拟等多个角度均有过详细研究,但是应用现有的各种计算方法对复杂节理岩体的强度确定结果仍不太理想,目前还难以达到对工程岩体强度的准确把握。 本论文首先在总结国内外各种经验确定节理岩体强度方法的基础上,改进了基于岩体分类的经验强度确定方法,并提出对完整标准岩石试件强度进行“尺寸效应”与“节理化”折减确定不同尺度工程岩体强度的方法(二次强度折减法),且应用具有原位试验的岩体工程实例进行了验证分析。 其次,在对工程岩体结构特征详细分析后,引入优势节理组、节理平均间距与节理等效连通率三个参数,建立了理想岩体结构的地质模型。通过对完整岩石及含节理试件的室内试验结果分别进行相应的三维PFC(颗粒流的细观离散元)数值拟合试验,获得了岩石与节理数值预测试验的细观参数,并应用相对大尺寸的节理试进行了验证试验,从而利用细观参数建立的“数值模拟试验机”,实现了对黄山隧道与金川边坡两个典型工程岩体强度参数的确定。 另外,本文应用一种全新的基于细观参数的数值试验方法,研究了宏观节理岩体强度的各向异性特征,针对含不同分离度的单一节理、单组节理、两组节理及三组节理的岩石试件分有限定围压与无限定围压两种情形进行了数值试验研究,不仅发现以往节理岩体强度各向异性在理论或经验认识上的一些不足,而且还得出许多其它有价值的结论。主要结论有以下几点: (1)节理条数及组数的增加会导致岩体强度降低,并且强度降低值不是一个恒定值,而是随节理倾角而改变的,表现为各向异性特征;同时,节理岩体的强度并不能应用单节理或单组节理按简单叠加原理取最小值的方法进行确定; (2)除了节理的几何分布外,节理岩体强度的各向异性特征还主要取决于限定围压(应力环境)和节理分离度(贯通及断续状况); (3)与单轴压缩作用下单一或单组的贯通节理岩体相比,断续节理岩体的最不利倾角有所降低,表现出类似于有限定围压作用时贯通的单一或单组节理岩体的各向异性特征。


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