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基于UDEC节理岩体抗压强度的数值研究

鲁皓琰  
【摘要】:岩体在自然界长期存在过程中,经历地质与风化作用形成了各种类型的不规则结构面。随机分布的结构面相互交割,使岩体形成复杂的割裂结构。节理面的存在使岩体强度呈现复杂的各向异性。本文通过对江西某矿区岩样进行岩石力学试验,得到岩石试件的力学参数,利用Hoek-Brown法估算岩体力学参数,建立二维离散元UDEC数值模型,较为系统地研究了三类节理岩体的各向异性,主要研究成果如下:(1)采用控制变量法研究了节理产状对单一节理岩体抗压强度的影响,结果表明:节理位置(节理尖端到受压面的距离)、倾角相同时,随着节理迹长比的增大,抗压强度呈非线性减小趋势,可拟合为二次函数关系;节理位置、迹长比相同时,随着节理倾角的增大,抗压强度呈先减小后增大的“U”形变化趋势;节理倾角、迹长比相同时,随着裂纹尖端到受压面距离的增大,岩石试件的抗压强度呈线性增大趋势。(2)为研究只含一组优势节理岩体的力学特性,在围压作用下,改变节理倾角与间距,进行抗压强度实验。结果表明:不同于单一节理岩体,随着节理倾角由15~°向90~°递增,σ_1-β曲线呈现非对称的“勺”形,岩体破坏模式依次为压碎破坏、剪切滑移破坏、劈裂破坏;当节理面倾角接近φ_j(节理面内摩擦角)或者90~°时,即使改变节理间距,抗压强度也不会发生明显变化;当节理面倾角介于φ_j~90~°之间时,岩体沿节理面发生破坏,抗压强度随节理间距的减小而减小,并逐渐趋于一个定值,近似于负指数变化关系;随着围压的增大,岩体抗压强度呈线性增大趋势,各向异性随之减弱。(3)基于分形理论,结合Monte Carlo方法生成节理岩体平面网络图,以网络图中心为基点,选取节理岩体模拟试件,以探究复杂节理岩体的各向异性,结果表明:选取角度、围压相同时,随着岩体尺寸的增大,节理岩体各向异性减弱,抗压强度呈非线性减小趋势,并趋向于某一定值,可拟合为负指数变化关系;围压、尺寸相同时,随着取样角度(所截取岩体试件与水平方向的夹角)的增大,节理岩体抗压强度呈微幅波动趋势,这应与节理分布的分形特性有关,取样角度为60~°时,岩体试件的抗压强度值略高,尺寸效应与围压效应也较为明显。


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