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块状节理岩体各向异性力学特性数值模拟研究

黄凡  
【摘要】:块状岩体作为常见的工程岩体,其内部通常存在2~3组相互交叉的贯通节理。这些产状、密度和空间分布都不同的节理将岩体切割成块状结构,从而使岩体的力学性质具有各向异性特征。当前,岩体工程中广泛使用的基于地质强度指标(GSI)的岩体强度模型并没有考虑到岩体的各向异性特性,故无法准确预测岩体的强度特性。因此,建立一种可靠的岩体强度模型并完善其相关理论基础,实现对块状岩体强度的准确评估,可为岩体工程稳定性分析及灾害防治提供理论支撑。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了节理倾角和岩块形状对岩体强度特性及破坏模式的影响规律,取得如下成果:(1)提出一个反映岩体各向异性特征的强度预测模型:本文采用Hoek-Brown(H-B)经验准则与数值模拟相结合的分析方法,建立了能反映岩体破碎程度的岩体数值模型,开展了单轴压缩试验数值模拟,基于数值模拟结果,提出一个反映岩体各向异性特征的强度预测模型,该模型能够综合考虑节理倾角和破碎程度对岩体强度的影响。(2)揭示了节理倾角β对块状岩体强度和破坏模式的影响规律:块状岩体的抗压强度(UCS)随节理倾角变化的曲线呈现以β为45°为对称轴的“W”形;块状岩体的破坏模式分为四类,随着节理倾角β从0°增大到45°,依次出现张拉破坏(β=0°)、剪切破坏(10°≤β≤20°)、滑移破坏(30≤β≤40°)和块体转动破坏(β=45°)。(3)节理间距比(S1/S2)和节理组夹角γ对节理岩体模型的强度特征具有显著影响:岩体抗压强度(UCS)随节理间距比(S1/S2)增大呈现出显著增大的变化趋势,并且当S1/S2=2时,块状岩体的抗压强度近似为S1/S2为1时的2倍,即近似水平分布岩块所组成的岩体,其强度要比近似竖直分布岩块所构成的岩体的强度高。对于贯通双节理岩体,岩体强度和破坏模式的改变主要由节理组夹角γ改变所致。随着节理组夹角γ的变化,主要和次要节理组会发生转换,影响岩体强度。


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