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基于直剪试验的非贯通节理岩体扩展贯通研究

刘远明  
【摘要】: 岩体是水利水电、交通、采矿和石油等工程广泛遇到的一类复杂工程介质,岩体的强度和变形对工程起着至关重要的作用。非贯通节理岩体的破坏和失稳最终都是通过岩体内部节理面的张开、闭合和扩展而产生的贯通滑移所引起的。岩体的破坏通常是由节理和岩桥共同破坏组成的,整体的破坏特征表现为原生节理和自节理端部扩展的岩桥断面所组成的复合破坏面。节理和岩桥对非贯通(断续)节理岩体节理的变形和强度特性各自发挥什么作用,节理与岩桥变形、破坏发展规律等问题至今仍没有很好地解决。非贯通节理岩体因初始张拉破坏发生初裂后,仍能继续承担高于初裂时的荷载。只有当荷载继续增加,达到峰值强度后,非贯通节理岩体才贯通破坏。显然,初裂强度和峰值强度是不同的。张拉破坏决定了非贯通节理岩体初裂强度,但张拉破坏对非贯通节理岩体峰值强度影响尚需进一步研究楚。直剪试验有许多优点,可以很好的模拟非贯通节理岩体的受力状态,是研究非贯通节理扩展贯通有效手段。然而,大量的理论和试验工作集中在单轴或双轴试验研究,而较少采用直剪试验研究。 通过分析非贯通节理岩体几何和力学特点并进行非贯通节理岩体直剪试验,研究非贯通节理岩体扩展贯通规律,并努力探索非贯通节理岩体研究的新思路。本文的主要研究成果如下: 研究了非贯通节理岩体几何特点,提出了根据节理面和剪切面的关系,将非贯通节理岩体分为共面非贯通节理岩体和不共面非贯通节理岩体。根据岩桥和节理的几何关系,将共面非贯通节理岩体又分为三小类,且将不共面非贯通节理岩体又分为两小类。 参与研制了直剪试验仪。直剪试验仪由主机、液压系统、伺服控制系统、计算机控制及处理系统四大部分组成。直剪试验仪可以方便地进行常法向应力、常法向位移下的直剪试验;加载实现了自动化,各项测量数据由计算机自动记录;测量精度高、量程大;控制方便灵活,操作界面友好。 研究了直剪试验下非贯通节理岩体扩张贯通过程中的强度和变形特性,岩桥应力、应变的变化规律。切向变形曲线可以归纳为四个阶段:初裂前阶段、稳定扩展阶段、非稳定扩展阶段和摩擦阶段。分析了各阶段的特征强度与峰值强度的关系。非贯通节理岩体切向变形曲线分段和岩桥的应力、应变的变化具有对应关系。 研究了非贯通节理岩体的破坏机理,修正了Laitai岩桥张拉破坏理论。分析了非贯通节理岩体岩桥微元的应力状态,提出了非贯通节理岩体岩桥微元存在张拉和剪切破坏两种破坏方式选择及力学模型。重点研究了非贯通节理岩体贯通破坏过程的特点,提出了非贯通节理岩体的贯通破坏模式。贯通破坏模式分为四种:TTTT(张拉破坏)、TTTS(拉剪复合,以拉为主)、TTSS(拉剪复合,以剪为主)、SSSS(剪切破坏)。 研究了非贯通节理岩体扩展贯通过程中岩桥力学性质的变化,提出了岩桥力学性质弱化的概念,分析了岩桥弱化的原因和弱化区域。提出了抗拉强度作为细观元件之一的胶结杆的表征参数。建立了岩桥抗剪参数弱化模型。提出了基于细观弱化模型的非贯通节理岩体的切向变形曲线的公式,并研究了模型中各参数对切向变形曲线的影响。 分析了目前强度准则的不足,建立了非贯通节理岩体扩展贯通的强度准则。新的强度准则反映了非贯通节理岩体的几何特性和力学性质,包括节理几何位置、节理面的抗剪强度参数和岩桥的抗剪强度参数等,考虑到了不同破坏模式的影响,而且引入了抗剪参数弱化系数反映了岩桥力学性质的弱化。 进行了大量的非贯通节理岩体直剪试验。新的岩桥张拉理论可以合理地解释直剪试验中非贯通节理岩体试验现象。提出的非贯通节理岩体贯通破坏模式与直剪试验非贯通节理岩体的破坏过程基本一致,其破坏机理能够解释非贯通节理岩体的破坏形态。按新的非贯通节理岩体贯通强度准则计算的理论抗剪强度与实测抗剪强度吻合较好。按提出的基于细观模型的公式很好地模拟了试验的切向变形曲线。岩桥力学性质抗弱化区域的抗剪强度参数发生弱化也进行了验证。


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