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裂隙岩体宏观力学参数评价研究

杨建平  
【摘要】: 裂隙岩体是地质工程中经常遇到的一类复杂岩体,它的变形、强度和渗透性等特征,直接关系着工程设计、施工和运营稳定性。 本文从裂隙岩体的岩石、结构面及其组合状态出发,建立岩石-结构面二元岩体模型,研究裂隙岩体的宏观变形、强度和渗透参数;并将研究成果应用到锦屏电站深埋引水隧洞工程。主要研究工作如下: (1)考虑岩石基元的非均质性,假设岩石中基元的粘聚力服从三参数Weibull分布,提出岩石的损伤模型。通过试验结果和Matlab程序拟合优化得到模型中的参数;基于建立的损伤模型和拟合优化的参数,有限元计算了不同围压下试样的轴向应力-轴向应变关系,并和试验曲线进行了对比,表明该模型可以较好地模拟不同围压下岩石的峰值强度和残余强度。建立了结构面剪切-张拉损伤演化本构模型,对所建立的结构面损伤演化模型进行了数值验证,证明了数值方法的有效性。 (2)基于现场裂隙分布统计规律,用Monte Carlo法生成了随机裂隙网络。研究了岩石-结构面二元岩体模型网格生成方法,编制了Fortran程序,对裂隙岩体进行网格剖分。基于岩石和结构面的弹性参数和所建立的岩石-结构面计算网格模型,研究了岩体变形模量的尺寸效应、各向异性和张量特性,得到了裂隙岩体变形模量REV尺寸和柔度矩阵。通过理论方法研究了裂隙岩体的变形模量,结果表明该方法可以评估裂隙岩体的变形模量尺寸效应和各向异性。基于岩石和结构面的本构模型及相应的模型参数以及所建立的岩石-结构面计算网格模型,研究了裂隙岩体抗压强度的尺寸效应和各向异性,得到了岩体抗剪强度参数,并和Hoek-Brown经验准则作了对比。 (3)研制了低渗透介质温度-应力-渗流耦合三轴仪(T-M-PTS),通过该仪器研究了大理岩和结构面在不同温度、不同静水压力下的渗透特性。①对大理岩进行的温度-应力-渗流耦合试验得出:在弹性受压阶段,岩石未发生热应力微破裂、未进入扩容阶段时,大理岩渗透率随着静水压力增大而降低、随着温度升高而降低。②对大理岩结构面进行的温度-应力-渗流耦合试验得出:在静水压力加载阶段,裂隙渗透率随着压力的增大而降低;在卸载过程中,由于裂隙存在不可恢复变形,渗透率不能完全恢复;静水压力不变时,裂隙渗透率随着温度升高而降低。 (4)利用生成的随机裂隙网络模型,基于平行板水流立方定律和试验得到的裂隙渗透参数,通过离散裂隙网络模型研究了裂隙岩体渗透系数的尺寸效应、各向异性和张量特性,得到了渗流REV尺寸下岩体等效渗透张量。 (5)将研究得到的裂隙岩体宏观力学参数代入锦屏电站引水隧洞模型,通过连续介质力学方法进行有限元计算,计算结果表明参数取值和所建模型合理。


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