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节理岩体特性的模型试验和特征单元体的研究

余大军  
【摘要】:岩石的特殊形成过程决定了岩体材料性质的复杂性。一般自然界中岩体经受过复杂的地质作用后,其内部存在不同规模、性质各异的地质结构面(节理、裂隙、断层等),使得岩体的结构特征与力学性质错综复杂。本文从室内模型试验和数值模拟计算这两方面研究了节理岩体的强度和变形特性以及岩体特征单元体。岩体特征单元体REV (Representative Elementary Volume)是连续介质力学的一个重要概念。REV是一个尺度,即将岩体等效连续力学性质视为常数的最小尺度。本文主要作了如下工作: (1)通过室内模型试验研究了多节理岩体的强度和变形特性。主要制作了三类试件,分别是完整试件、节理试件和加锚节理试件。节理试件是在完整试件的内部预制了三个一定倾角的节理,加锚节理试件是在节理试件内部预留锚孔,待试件达到一定强度后采用数值锚固剂将锚杆锚固其中后的试件。节理的倾角(节理面与水平面之间的夹角)设有30°、45°、60°三种。对三类试件分别进行了单轴压缩试验。室内试验的主要内容和主要结论如下: 1)通过对不同配合比的砂浆材料进行单轴压缩和劈裂试验,研制出了种与工程岩体物理力学参数满足一定相似比的砂浆材料。并以此配合比选择了一硬铝合金作为相似锚杆材料。 2)对三种试件进行单轴压缩试验,分别研究了预制节理对模拟岩体材料强度的弱化效果及锚杆对节理岩体的加固效应。结果表明随着节理倾角的增大,节理对岩体的强度弱化效果愈明显。此时,锚杆对节理的加固效应也愈显著。预制节理对模拟岩体试件、锚固对节理岩体试件的破坏形态都产生了显著影响。 (2)通过总结前人的科研成果,归纳了节理岩体等效连续模型的基本思路和强度等效的基本原理。总结了节理岩体特征体(REV)的研究方法。重点介绍了数值方法研究岩体特征单元的思路和步骤。 (3)以大岗山水电站工程为背景,通过数值模拟方法确定了该工程计算域岩体的特征单元体尺寸以及等效力学参数,并通过数值加载试验,确定了满足REV尺寸岩体的强度屈服方程。结果表明,该岩体的屈服曲线满足指数函数。 (4)建立了大岗山水电站洞室群准三维计算模型。采用两种计算方案,一种方案是利用地质统计特征计算得到的岩体参数(由设计单位提供),并根据现场的监测位移数据进行参数反演进而得到修正的岩体参数进行计算;另一种计算方案是考虑随机节理,通过数值方法确定不同岩体分区的REV尺寸和岩体等效参数及强度屈服函数进行计算。分别以上述两种方案进行该工程洞室群的开挖模拟计算,对计算结果中的关键点位移做了研究。同时考虑了围岩劈裂破坏产生的裂隙张开位移,利用山东大学前人研究的经验公式,对计算位移进行了修正。研究结果表明:经过修正的关键点位移能够很好地与现场监测位移吻合,说明采用基于REV思想来获取岩体等效参数和屈服函数的计算方案来进行工程模拟的计算更方便且符合实际。同时也再次说明,当将岩体视为等效连续介质材料进行数值计算时,围岩的裂隙张开位移不容忽视。


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