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考虑节理岩体各向异性的边坡力学特征分析及应用

师文豪  
【摘要】:边坡岩体通常含有大量不同尺度、分布复杂的结构面,这些结构面导致了岩体的各向异性,忽略其各向异性将与实际有较大偏差。对于极其复杂的岩体结构,在实际岩体工程分析中,通常需要抓住影响岩体变形和破坏的主要因素,通过一定科学方法研究其宏观力学特征。为了探讨节理分布对边坡力学特征的影响规律,本文基于等效连续介质模型,将节理岩体等效为各向异性弹塑性体,建立各向异性渗流-应力耦合模型,通过数值模拟研究考虑节理岩体各向异性的边坡力学特征,并结合工程实例进行分析。论文的主要研究工作及主要结论如下:1.概述了工程岩体质量分级、岩体参数确定及数值计算模型的研究现状,分析了目前工程应用中存在的主要问题,并确定了本文的研究思路和研究内容。2.假设节理岩体存在一个优势节理方向,建立了平面应变问题下,各向异性岩体渗流-应力耦合模型,并提出了基于COMSOL有限元分析软件的边坡力学特征数值计算方法。通过数值模拟分析了考虑节理岩体各向异性的边坡应力场、位移场和渗流场等分布特征,并根据各向同性莫尔库伦和最大拉应力破坏准则,研究了边坡损伤破坏规律。研究发现,优势节理方向对边坡力学特征起控制作用,在进行岩体力学分析时不能忽略其各向异性。3.以抚顺西露天矿南帮为例,通过室内岩石力学实验、现场结构面测试及渗透试验,采用节理岩体网络模型,考虑岩体REV尺寸效应,综合确定了岩体变形和渗透参数,实现了工程岩体参数表征;建立了西露天矿南帮E1200剖面各向异性数值模型,通过数值模拟与传统各向同性模型进行了对比分析。结果表明:各向异性模型计算的潜水面更接近实际,且损伤演化规律与实际吻合较好;各向同性模型计算结果与实际有较大偏差,即各向异性模型具有良好的工程应用前景。4.进行了三维边坡力学特征初探。以某露天矿边坡为背景,建立了层状岩体边坡三维横观各向同性模型,引入三维Hoffman各向异性破坏准则,对不同岩层倾角下三维边坡损伤区进行了数值模拟。研究发现,顺倾层状边坡更容易发生整体性损伤破坏,反倾层状边坡多存在小范围局部损伤,整体相对稳定。


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