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含水平软弱夹层复合岩体力学特性的研究

时秀文  
【摘要】:层状岩体结构是地质中常见的一种岩体结构,在隧道开挖,煤矿开采,石油开采等工程中经常遇到层状岩体结构。夹层是层状结构中的一种形式,夹层的存在会对岩体的力学性能产生极大的、持续的影响,对工程的施工造成了极大的不便及危害,故而对其力学特性和稳定性影响因素的研究很有必要。由于其结构的复杂性,层状岩体结构力学特性不易准确推算,需要做较多的假设,并且由于取样的困难性,以及在运输过程中容易受到破坏等原因,实验验证也非常不易。为了研究岩石内部应力应变情况,本文以弹性力学作为理论基础,以理论分析为手段,以含水平软弱夹层复合岩体为研究对象,采用人工复合岩体代替天然岩体进行实验,对其力学特性展开研究。论文的主要研究内容和结论如下:(1)理论推导。以岩石力学研究领域常用试件类型——圆柱体标准试件为研究对象,以弹性力学轴对称理论为依据,采用半逆解法,构造出圆柱体标准岩石试件受均布载荷时及三轴压缩载荷时的三维应力函数,根据应力函数推导出应力分量、应变分量、位移分量解析解,进一步又得到主应力和主应变,并采用赋值法进行实例计算,给出了软弱夹层和交界面处的应力、应变、位移分布情况,研究了岩体应力、应变、位移随夹层厚度比的变化趋势。预测了整体岩体的破坏形式。计算发现复合岩体软弱夹层的厚度比不同,加载情况不同,其破坏模式亦不相同。一般情况下,厚度比大的比厚度比小的夹层更加容易破坏;围压较高时比低围压时岩体轴向抗压能力更高。(2)试件制备。研制了两种实验室用筛分装置:滚筒式颗粒分级筛分装置和免动力轨道式单层滚筒筛。一次性可以进行多级筛分,分选效果好;筛分过程密闭,无扬尘污染;在锻炼和玩耍中完成筛分,减少传统手工筛分的劳动量和身体劳损,并且制作、拆装、携带方便,适合实验室、家庭等少量的颗粒筛分。选择两种常见的沉积岩:页岩和砂岩,分别作为软岩、硬岩的原型,以砂子、水泥、石膏为相似材料,依托相似理论为理论基础,选择合适的相似比结合单轴压缩试验,利用实验室现有模具和机器制得适合的含软弱夹层复合岩体的人工复合相似试件。(3)实验研究。通过对人工复合相似试件进行单轴实验以及不同围压下的三轴压缩实验,得到软弱夹层厚度比对复合岩体强度特性的影响规律。认为软弱夹层的厚度比越大,岩体的抗压强度和弹性模量就会越低;围压越大,岩体的单轴抗压强度就会越大,应力-应变曲线弹性变形阶段的斜率越小。


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