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含倾斜软弱夹层复合岩体强度及蠕变特性研究

李剑光  
【摘要】:层状岩体是岩体工程中常见的对象,夹层是其特殊形式。当夹层较弱,产状倾斜时,会对岩体的整体力学性能形成削弱,进而对以其为围岩的岩体工程稳定性产生不利影响,且会随着工程的建设和运营而持续存在。由于取样困难,运输和加工过程中各种损耗和破坏,天然的层状复合岩体样本往往难以足量获取,客观上导致了对其力学性能研究的缺乏。本文着眼于基础研究,不针对具体的工程项目,以含倾斜软弱夹层复合岩体为研究对象,通过人工复合岩体代替天然岩体进行实验,对其强度特性和蠕变特性展开研究。论文的主要研究内容和结论如下:(1)推导了含水平软弱夹层复合岩体试件在单、三轴压缩下的应力分量解析解,分别给出了夹层、主岩体以及交界面处的应力分布。认为不同厚度比的复合岩体,破坏模式不同;厚夹层比薄夹层容易破坏;高围压时比低围压时强度更高;并给出了单、三轴压缩时潜在的破坏模式。进一步地,推导了含倾斜软弱夹层复合岩体应力分量解析解。认为夹层上交界面的顶端和下交界面的底端,较其他区域更容易破坏;随着倾角增大,材料的强度先减小后增大;有围压时比无围压时更不易破坏;主岩体比夹层更不易破坏;并给出了单轴压缩时潜在的破坏模式。(2)研制了一种含层理标准试件批量压型机构。各分层材料、倾角、层厚、层位等可控,一次成型数量可调,同批次均匀性好,整体可拆卸,适合小批量成型,可与普通压力机适配,在层理控制、成型效率、成型质量、使用便利等方面有明显优势。选择三种常见的沉积岩组合,即页岩、砂岩和石灰岩为模拟对象,以水泥、石膏、砂为模拟材料,制备出两类含不同强度夹层的人工复合岩体试件。(3)通过对两类复合岩体进行单、三轴压缩实验,得到软弱夹层特征对复合岩体强度特性的影响规律。认为夹层厚度越大,岩体抗压强度和弹性模量越低;保持夹层总厚度不变,夹层数目越多,强度越大,各分层破坏几率相同;在给定的夹层倾角范围内,倾角增大对岩体的强度有削弱作用,但对于不同类型复合岩体,存在不同的特征角,超过该角时,削弱作用会逐渐减弱,Ⅰ类岩体的特征角大于Ⅱ类岩体;围压增大对岩体的强度有强化作用,在一定的塑性变形范围内,即使夹层破坏,复合岩体的整体承载力依然可以维持。(4)通过数值模拟,发现开挖后,开挖轮廓面临近区域的岩体处于单向应力状态,且不论轮廓面形状、地应力大小和方向如何,主应力方向总是与轮廓曲线相切。认为对于含有软弱夹层的岩体工程,需要特别关注软弱夹层的产状,以及夹层在开挖面上的出露位置与主应力的方向。(5)通过对两类复合岩体进行单轴压缩蠕变实验,发现Ⅱ类岩体比Ⅰ类岩体在破坏前承受的应力水平更高;蠕变破坏强度小于同一岩体单轴抗压强度。两类岩体的当级蠕变量都随应力水平升高,逐渐增大,且向高应力区发散;当级瞬时应变量随应力水平升高,逐渐降低,且向高应力区收敛;夹层倾角与当级蠕变量和当级瞬时应变,没有确定性关系。同一应力水平下,含夹层岩体的绝对应变量,当级蠕变量和当级瞬时应变量介于夹层材料和主岩体材料相应值之间。实践中,可在获得后两者蠕变特性基础上,作适当的处理,应用于含夹层岩体。最后,选择成熟的蠕变模型对实验数据进行拟合,并通过数值模拟验证了其可用性。


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