【摘要】：巖體作為一種常見的工程介質(zhì),廣泛分布于水利水電、交通和礦山等領域,其強度、變形等工程力學特性直接關系到工程的經(jīng)濟和安全。巖體是長期地質(zhì)構(gòu)造運動的產(chǎn)物,包含大量不連續(xù)結(jié)構(gòu)面,如：斷層、節(jié)理、層理、裂隙等。這些結(jié)構(gòu)面相互交切形成了特定的巖體結(jié)構(gòu),這種復雜的結(jié)構(gòu)特征決定了巖體的破壞機理和強度、變形等工程力學特性。大量工程實踐表明,巖體的變形、破壞和失穩(wěn)通常是巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面變形、破壞、擴展乃至貫通引起的。因此,要研究節(jié)理巖體強度、變形等工程力學特性首先要了解節(jié)理巖體中結(jié)構(gòu)面變形、破壞、擴展、貫通演化規(guī)律。針對節(jié)理巖體破壞過程和強度、變形特征問題,論文人工制備典型結(jié)構(gòu)面分布的巖體進行室內(nèi)直剪試驗研究節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化過程；引入斷裂力學基本概念,采用數(shù)值流形法實現(xiàn)節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程仿真模擬；在此基礎上開展了數(shù)值仿真試驗確定節(jié)理巖體工程力學特性參數(shù)的研究。主要研究工作包括以下幾個方面：(1)在制作典型節(jié)理巖體制模裝置、優(yōu)化試驗檢測系統(tǒng)基礎上設計了整體試驗方案。對節(jié)理巖體中節(jié)理、巖橋的變形、破壞、擴展演化過程開展室內(nèi)直剪試驗研究,獲得了7種巖體模型在剪切荷載作用下的破壞演化過程試驗數(shù)據(jù)和圖像資料,為節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程模擬和強度、變形特性研究提供原始試驗數(shù)據(jù)。(2)研究了7種巖體模型、35條應力應變曲線,將應力應變曲線歸納為五種類型：滑動型、屈服型、剪斷型、脆斷型、剪斷復合型,并給出每種類型應力應變曲線的特征和判斷依據(jù)。研究表明巖體中包含的結(jié)構(gòu)面形狀和法向應力決定應力應變曲線類型,隨著法向應力的增大,剪斷復合型逐漸向剪斷型轉(zhuǎn)化、剪斷型逐漸向屈服型轉(zhuǎn)化。(3)對數(shù)值流形法程序進行了考核,發(fā)現(xiàn)原有數(shù)值流形法在計算過程中改變慣性矩陣、重力場矩陣時,忽略了“質(zhì)量守恒”,通過在流形元的分步計算中修正單元密度以實現(xiàn)“質(zhì)量守恒”,提高了計算的精度。在矩陣表達式的二維塊體搜索基礎上提出了虛擬節(jié)理技術(shù),保證節(jié)理分布不會因為塊體搜索而改變長度,并開發(fā)了數(shù)值試驗模型自動生成程序。(4)通過推導三維幾何信息關系判斷的矢量運算公式,構(gòu)建了三維空間塊體搜索的矩陣表達式,實現(xiàn)了任意幾何形態(tài)的三維塊體搜索。為開展節(jié)理巖體三維研究奠定了基礎,對未來研究進行了初步探索。(5)引入斷裂力學應力強度因子的基本概念,采用圍線積分法計算裂紋尖端應力強度因子,最大周向應力準則確定節(jié)理擴展準則和擴展方向。該研究解決了節(jié)理巖體破壞過程中數(shù)學單元、物理單元的重構(gòu)及應力傳遞問題,并進一步開發(fā)了節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程模擬程序。利用節(jié)理巖體中節(jié)理、巖橋不同搭接形式的剪切破壞演化過程的室內(nèi)直剪試驗和單軸壓縮試驗對模擬程序進行驗證。驗證結(jié)果表明,節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程模擬程序結(jié)果與試驗結(jié)果具有很好的幾何一致性,驗證了所開發(fā)的程序能夠模擬節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程。(6)進行了大量的節(jié)理巖體數(shù)值仿真試驗,并在大樣本數(shù)值仿真試驗的基礎上,提出了確定節(jié)理巖體工程力學特性參數(shù)和以及影響參數(shù)的尺寸效應、各向異性特性研究的方法和思路,為節(jié)理巖體工程力學特性研究提供了一種科學有效的技術(shù)手段。
【學位授予單位】：中國水利水電科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU45

【參考文獻】

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1 梁正召;于躍;唐世斌;劉紅元;唐春安;;刀具破巖機理的細觀數(shù)值模擬及刀間距優(yōu)化研究[J];采礦與安全工程學報;2012年01期

2 夏才初,孫宗頎,潘長良;不同形貌節(jié)理的剪切強度和閉合變形研究[J];水利學報;1996年11期

3 白世偉,任偉中,豐定祥,陳錦清,賈中和;平面應力條件下閉合斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機理及強度特性[J];巖石力學與工程學報;1999年06期

4 王水林,葛修潤,章光;受壓狀態(tài)下裂紋擴展的數(shù)值分析[J];巖石力學與工程學報;1999年06期

5 任偉中,王庚蓀,白世偉,豐定祥,陳錦清,賈中和;共面閉合斷續(xù)節(jié)理巖體的直剪強度研究[J];巖石力學與工程學報;2003年10期

6 李海楓;張國新;石根華;彭校初;;流形切割及有限元網(wǎng)格覆蓋下的三維流形單元生成[J];巖石力學與工程學報;2010年04期

7 陳新;廖志紅;李德建;;節(jié)理傾角及連通率對巖體強度、變形影響的單軸壓縮試驗研究[J];巖石力學與工程學報;2011年04期

8 周維垣,楊若瓊,剡公瑞;流形元法及其在工程中的應用[J];巖石力學與工程學報;1996年03期

9 王芝銀,王思敬,楊志法;巖石大變形分析的流形方法[J];巖石力學與工程學報;1997年05期

10 周群力;巖石壓剪斷裂判據(jù)及其應用[J];巖土工程學報;1987年03期

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2 劉遠明;基于直剪試驗的非貫通節(jié)理巖體擴展貫通研究[D];同濟大學;2007年

本文編號：2729119