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复杂节理岩体力学参数尺寸效应及工程应用研究

吴琼  
【摘要】:岩体是在地质历史时期形成的具有一定组分和结构的地质体。由于经受过复杂的地质作用,岩体中分布着各种结构面,如:断层、节理、裂隙等,这些结构面彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等和成分各异的岩块。由于岩体结构的复杂性,人们始终无法完全了解复杂岩体的力学性质。节理岩体力学参数是一切岩石相关理论研究的基础,同时也是实际岩石工程分析、评价和设计时必须要考虑的重要因素。因此,正确认识节理岩体的力学性质,进而合理确定节理岩体的力学参数具有重要的理论及现实意义。 由于岩体中复杂结构面的存在,节理岩体力学参数表现出非均质性、各向异性和尺寸效应特征。尺寸效应是节理岩体力学参数的重要特征。在进行力学试验时,当试样只包含少量节理时,同一尺寸不同试样的力学性质会有很大差别,反映了由节理分布所导致的岩体非均质性;当试样尺寸逐渐增加,节理数量也会逐渐增加,试样的力学性质会逐渐减小,直到试样增加到一定尺寸时,节理对岩体的影响不再增加,岩体力学参数会趋于一个固定值,此时可以将岩体看作等效连续介质。满足这个条件的最小岩体体积被称为“表征单元体体积”(Representative Elementary Volume),简称REV。REV可以作为一个单元尺寸用来等效包含大量结构面的统计均质岩体,基于等效连续介质理论和表征单元体的力学性质对复杂节理工程岩体进行研究可以使问题大为简化,是从宏观上研究复杂节理工程岩体力学性质的重要手段。 岩体结构模型是岩体力学参数尺寸效应研究的基础。岩体中的结构面具有随机性、形态多样性和空间组合复杂性的特点,由于目前人类测量手段限制,对岩体中真实存在的结构面进行精确描述是不可能实现的。结构面网络模拟是一种研究岩体结构的有效手段,它基于蒙特卡洛模拟法,根据现场有限天然露头或人工开挖面上实测结构面几何参数的概率分布模型来推求服从这些分布规律的岩体内部结构面分布情况。国内外很多学者对结构面网络模拟进行研究,目前国内研究存在以下不足:(1)结构面网络模拟成果很多,但对模拟成果的准确性研究较少;(2)结构面网络模拟的工程应用研究不足,少数学者基于结构面网络模型确定岩质边坡潜在破坏面或可动块体,但是网络模拟法所建立的岩体结构面与实际结构面并不是——对应的,这种“不确定性”使得类似的工程应用效果欠佳。由于结构面网络模拟本身蕴含着的“概率等效”的思想,因此,利用结构面网络模拟成果研究岩体宏观力学参数,进而与工程岩体稳定性评价相合,是将结构面网络模拟成果应用于工程实际的有效途径。 目前从理论上讲,节理岩体力学参数尺寸效应的研究方法主要有:原位试验法、解析法和数值试验法。由于原位试验费用高、难度大,通过原位试验研究现场岩体力学参数尺寸效应并获取REV虽然在理论上成立,但在现实中却很难实现;解析法仅能考虑简化的节理分布条件,具有很大的局限;数值试验法是目前最为有效的研究方法,它可以比较全面的考虑影响岩体力学参数的主要因素,方便地研究不同尺寸岩体的性质。国内外有些学者进行了这方面的研究,但大多基于二维假定条件,三维条件下复杂节理岩体力学参数尺寸效应的研究成果未见报道,同时,现有研究大多利用有限元方法,该方法基于连续介质理论,不适合模拟节理岩体的应力应变特征,而离散单元法是一种非连续数值方法,基于离散单元法的节理岩体力学性质研究有待探索。因此,基于三维离散元方法开展节理岩体力学参数的尺寸效应研究具有重要意义。 本文首先基于野外工程地质调查和结构面数据采集结果,研究复杂节理岩体三维结构面网络模型的建立和验证方法,然后引入假想结构面解决非贯通节理的建模问题,结合改进的假想结构面力学参数、岩块物理力学参数以及自定义结构面本构模型,探讨基于三维离散元(3DEC)数值试验的复杂节理岩体力学参数尺寸效应和空间各向异性研究方法,同时,根据结构面张量理论研究复杂节理岩体力学参数与结构面张量的关系,提出复杂节理岩体正交各向异性本构模型,并对基于等效连续介质理论的REV工程应用进行探讨。在理论研究的同时,将上述研究思路完整地应用到贵州省鱼简河水库导流洞出口段节理岩体力学参数尺寸效应研究及导流洞稳定性评价之中。论文完成的主要工作包括以下几个方面: (1)系统研究了三维岩体结构模型的生成和验证方法。重点研究内容有:a.以结构面视倾角代替产状并考虑结构面与窗口相交的概率,对Kulatilake (1984)提出的矩形窗口平均迹长估算方法进行简化和改进,利用汶川兴文坪人工边坡露头面的结构面数据验证了估算公式的正确性,并对比研究了矩形窗口和圆形窗口中平均迹长的估算公式,指出了圆形窗口估算法的不足;b.研究了目前国际上估算结构面面密度的方法(矩形窗口法和圆形窗口法),利用汶川兴文坪人工边坡露头面的结构面数据对两种方法的估算效果进行了详细地对比研究,结果表明,矩形窗口法的估算精度更高;c.指出三维结构面网络模拟中应注意的关键问题,一是要将结构面网络模拟与工程地质相结合,二是要对结构面网络模型进行验证,提出基于实测结构面数据的三维结构面网络模型验证方法;d.建立了贵州省鱼简河水库导流洞出口段节理岩体的三维结构面网络模型,并利用实测数据分别从结构面产状、线密度和平均迹长等方面对岩体结构模型进行验证,保证了该模型的准确性,为研究区节理岩体力学性质研究奠定了基础。 (2)重点解决了复杂节理岩体三维离散元数值试验研究中的几个难点问题,包括:a.非贯通节理的建模;b.假想结构面变形参数估算方法的改进;c.自定义结构面本构模型程序的开发。非贯通节理的建模问题是目前应用离散元方法研究岩体力学性质的瓶颈,引入假想结构面解决这一问题,并基于VB语言开发了假想结构面的建模程序。从理论上详细推导了假想结构面法向刚度和剪切刚度的解析表达式,该表达式考虑了模型尺寸、应力边界条件、结构面几何分布等多种因素的综合影响,利用算例验证了表达式的正确性。节理岩体中结构面的本构关系对整个岩体的力学性质具有重要影响,基于FISH语言对3DEC进行二次开发,编制了白定义的结构面本构模型程序,在进行3DEC数值试验时,将该程序嵌入到3DEC程序中,可利用自定义的结构面本构模型描述研究对象的应力变形特征。 (3)以贵州省鱼简河水库导流洞出口段节理岩体为例,详细研究了节理岩体力学参数的尺寸效应特征。研究中所考虑的细节问题有:a.随机选取不同位置同一尺寸的多个模型进行研究,将不同位置模型数值试验结果的均值作为该尺寸模型的最终力学参数,有效的减小了由模型位置选取所导致的结果误差;b.基于室内试验结果确定了结构面法向变形和切向变形本构模型,利用所编制的FISH语言程序实现了数值试验中自定义的结构面变形本构模型;c.采用三种试验设计方案,基于三维离散元方法对节理岩体的多个力学参数进行数值试验研究。最终得到了研究区节理岩体抗压强度折减系数、变形模量折减系数、剪切模量折减系数、体积模量折减系数以及泊松比随岩体尺寸的变化规律,确定表征单元体尺寸约为18m。 (4)探讨了结构面张量与节理岩体力学参数之间的关系。引入结构面张量综合描述节理岩体中结构面系统的几何分布特征,以贵州省鱼简河水库导流洞出口段节理岩体为例,分别建立了研究区节理岩体抗压强度折减系数、变形模量折减系数、剪切模量折减系数、体积模量折减系数与结构面张量参数之间的关系表达式,为实际工程岩体力学参数的确定提供了一种新思路。 (5)提出了基于三维离散元数值试验的节理岩体力学参数各向异性研究方法。详细研究了贵州省鱼简河水库导流洞出口段节理岩体表征单元体的各向异性特征,完成了以下工作:a.基于结构面张量探讨了研究区节理岩体表征单元体结构面几何分布的空间各向异性;b.采用模型旋转的方法,得到了三维空间任意45。方向上研究区节理岩体表征单元体力学参数的变化规律;c.确定了各力学参数的空间张量及其主值和主方向,分别绘制了研究区节理岩体表征单元体抗压强度、变形模量及剪切模量的三维椭球体。结果表明,研究区节理岩体表征单元体力学参数具有很好的正交各向异性特征。 (6)建立了贵州省鱼简河水库导流洞出口段节理岩体的正交各向异性本构模型。引入一种基于结构面张量的节理岩体三维线弹性正交各向异性本构模型,该本构模型考虑了结构面几何分布特征的影响,且能够反映节理岩体力学性质的尺寸效应及各向异性特征。基于岩体力学参数与结构面张量的关系及岩体力学参数各向异性研究成果,分别建立研究区节理岩体表征单元体的正交各向异性本构模型,结果表明,两种方法所建立的本构模型系数较为接近,证明了基于结构面张量建立节理岩体正交各向异性本构模型的合理性。 (7)开展了基于等效连续介质理论的REV工程应用研究。基于等效连续介质法,应用REV正交各向异性本构模型研究贵州省鱼简河水库导流洞出口段的稳定性,考虑水平应力系数对稳定性分析结果的敏感性,得到不同水平应力系数下不同截面处导流洞围岩的弹性变形特征。同时,基于非连续介质法,探讨贵州省鱼简河水库导流洞出口段的稳定性,对比验证了基于连续介质法的REV工程应用效果。两种方法所得的导流洞围岩最大位移数值较为接近,说明了基于REV的等效连续介质法是合理的。与等效连续介质法不同的是,非连续介质法所得的导流洞围岩位移分布不规则,明显受到结构面空间分布特征的影响。两种方法的计算结果表明导流洞围岩变形量很小(小于2.5mmm),且不存在塑性破坏区,说明了导流洞围岩较为稳定,与实际工程情况一致。 主要创新成果有: (1)探讨了结构面网络模拟中关键几何参数的估算公式,并提出了岩体结构模型验证方法。以结构面视倾角代替产状并考虑结构面与窗口相交的概率,对现有矩形窗口平均迹长估算公式进行改进,利用汶川兴文坪人工边坡露头面的结构面数据验证了估算公式的正确性,并详细对比研究了国际上基于窗口法的结构面平均迹长及面密度估算方法。此外,针对目前结构面网络模拟准确性研究不足的现状,提出了基于实测数据的岩体结构模型验证方法。 (2)解决了非贯通节理在3DEC中的建模问题,并改进了假想结构面变形参数的估算公式。非贯通节理的建模问题是目前应用离散元研究岩体力学性质的瓶颈,引入假想结构面解决这一问题,基于VB语言开发了假想结构面建模程序。同时,从理论上详细推导了假想结构面法向刚度和剪切刚度的解析表达式,该表达式考虑了模型尺寸、应力边界条件、结构面几何分布等多种因素的综合影响,利用算例验证了表达式的正确性。 (3)开发了自定义结构面本构模型程序。节理岩体数值计算中常采用恒定法向刚度和剪切刚度描述结构面的应力变形特征,与实际情况存在一定差异。基于FISH语言对3DEC进行二次开发,编制了自定义结构面本构模型程序,给出了程序基本流程及避免意外计算结果的解决方法。 (4)系统研究了结构面几何分布特征对复杂节理岩体力学性质的影响。将三维结构面网络模拟成果与三维离散元方法相结合,系统开展了复杂节理岩体力学参数尺寸效应研究。引入结构面张量综合描述节理岩体中结构面系统的几何分布特征,建立了结构面张量与岩体力学参数的关系,为实际工程岩体力学参数的确定提供了一种新思路。同时,借助模型旋转方法,探讨节理岩体结构面系统及力学参数的空间各向异性特征。在此基础上,提出节理岩体三维正交各向异性本构模型,并将其应用于工程岩体稳定性评价。


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