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基于离散元模拟的结构面不稳定剪切破坏机理研究

张方雪  
【摘要】:随着隧道开挖或地下开采等深部地下工程的增多,引起的灾害也越来越频繁。地下开挖可能会引起邻近结构面的剪切破坏,这种剪切破坏可能是稳定的,也可能是不稳定的。特别是在深部高应力的地下环境中,很可能发生剧烈的不稳定剪切破坏并伴随着大量的能量释放,会对工程和工作人员造成巨大的损害。前人用UDEC软件对结构面的剪切破坏已经做了一定量的研究,但均未考虑结构面的非均质性。天然结构面表面是粗糙不平的,且结构面的剪切行为会受结构面几何形状的影响。本文采用UDEC软件和连续屈服节理模型,在前人研究的基础上考虑了结构面参数(初始摩擦角和剪切刚度)的非均质性,对结构面的剪切破坏做了进一步研究。双剪模型数值模拟的结果表明:在均质结构面的剪切破坏(稳定和不稳定)中,结构面各节点从左至右峰值剪切应力是减小。在均质结构面不稳定剪切破坏中,结构面各节点从左至右不稳定破坏程度是增加。而在非均质结构面的剪切破坏(稳定和不稳定)中,结构面各节点处参数的大小直接影响该节点峰值剪切应力的大小。在非均质结构面稳定的剪切破坏中,随着均质度系数的减小结构面平均剪切应力-位移曲线的峰后刚度减小。在非均质结构面不稳定的剪切破坏中,结构面各节点处参数的大小直接影响该节点不稳定破坏程度。在地下开挖算例中,结构面参数的非均质性影响了各个节点的破坏情况,各节点的剪切应力-时间图和剪切位移-时间图与均质结构面形成了鲜明的对比。结构面的非均质性直接影响不稳定剪切破坏中能量释放量,不同均质度系数的结构面能量的释放量不同。考虑结构面的非均质性,能够了解天然结构面更加真实的剪切行为。通过不同尺寸下的双剪模型数值模拟,得出了负尺寸效应的结果。又模拟了弹性模量和法向应力对尺寸效应的影响,随着弹性模量和法向应力的增加尺寸效应减弱。所以实验室小尺寸试验结果不能直接用于工程。


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