本文關(guān)鍵詞：地下水封洞庫巖體力學(xué)參數(shù)REV的各向異性研究　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值是巖土工程中最根本的問題之一,參數(shù)選擇的準(zhǔn)確與否直接影響到工程的安全性及工程造價(jià)的合理性。地下水封洞庫作為一種較為新穎的工程類型,“水封效果”及“圍巖穩(wěn)定性”是其需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題,而巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值是解決這兩個(gè)問題的核心內(nèi)容。然而實(shí)際工程中的巖體內(nèi)部都存在著大量的結(jié)構(gòu)面,使得巖體力學(xué)性質(zhì)錯(cuò)綜復(fù)雜,具有顯著的尺寸效應(yīng)及各向異性。因此,巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值離不開其尺寸效應(yīng)及各向異性的研究。表征單元體(Representative Elementary Volume, REV)是巖體力學(xué)性質(zhì)尺寸效應(yīng)研究的核心內(nèi)容,即尺寸效應(yīng)的研究需要確定各力學(xué)參數(shù)REV的大小。且?guī)r體具有各向異性,因此力學(xué)參數(shù)在不同方向上的REV尺寸必然不同,故本文開展巖體在不同方向上的力學(xué)參數(shù)REV研究,確定能夠反映巖體各向異性的力學(xué)參數(shù)REV大小。 此外,REV的概念來源于等效連續(xù)介質(zhì)理論,是該理論分析的最小體積單元。等效連續(xù)介質(zhì)理論假設(shè)研究對象是由一系列這樣的單元組成的等效連續(xù)介質(zhì)體。將REV的概念引入到巖體力學(xué)當(dāng)中,也是為了能夠在巖體中找到這樣一個(gè)單元體,使其能夠從宏觀上反映巖體的平均特性,那么就可以將巖體這種非連續(xù)介質(zhì)看作由一系列這樣的單元體組成的等效連續(xù)介質(zhì)體。目前關(guān)于巖體REV的研究成果主要集中在巖體的滲流REV上,針對的是巖體的連續(xù)與非連續(xù)介質(zhì)滲流分析,而針對巖體連續(xù)與非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析而研究巖體力學(xué)特性REV的成果還相對較少,且未形成一套系統(tǒng)的研究思路與方法。具體表現(xiàn)在：部分學(xué)者通過不同尺寸巖體試樣的數(shù)值試驗(yàn)研究得到了巖體的各個(gè)等效力學(xué)參數(shù)REV,包括變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù),但卻忽略了其等效變形參數(shù)是否具有張量特性的研究,而這卻是等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的必要條件之一；部分學(xué)者通過數(shù)值試驗(yàn)得到了巖體等效變形參數(shù)REV,也進(jìn)行了等效變形參數(shù)的張量特性研究,但工程中更加注重巖體的強(qiáng)度特征,因此還有必要進(jìn)行其等效強(qiáng)度參數(shù)REV的研究,且強(qiáng)度參數(shù)REV的大小并不一定與變形參數(shù)REV相同；甚至還有部分學(xué)者只研究了巖體在一個(gè)方向上的力學(xué)參數(shù)REV,便將其用于等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析當(dāng)中。 鑒于此,論文依托國家戰(zhàn)略石油儲備黃島地下水封洞庫工程,主要開展花崗片麻巖體在不同方向上的力學(xué)參數(shù)REV研究及其等效連續(xù)性研究。首先,分析了洞庫區(qū)主要構(gòu)造體系的形成及演化歷史,并根據(jù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)模及工程地質(zhì)意義對其進(jìn)行了不同級別的劃分；重點(diǎn)研究了影響洞庫圍巖完整性的Ⅳ級結(jié)構(gòu)面,并根據(jù)其發(fā)育特征確定了花崗片麻巖體的結(jié)構(gòu)類型；基于野外地質(zhì)調(diào)查及鉆孔攝像技術(shù)獲得的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)了花崗片麻巖體發(fā)育的優(yōu)勢節(jié)理組及各組節(jié)理的幾何要素概率密度函數(shù),在此基礎(chǔ)上采用Monte-Carlo方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬,建立了花崗片麻巖體結(jié)構(gòu)模型,為其力學(xué)參數(shù)REV的研究奠定了基礎(chǔ)。其次,對UDEC (Universal Distinct Element Code)離散元數(shù)值模擬軟件開展巖體數(shù)值試驗(yàn)的適宜性進(jìn)行了研究,確定了本文主要的研究手段；基于Monte-Carlo方法得到的巖體結(jié)構(gòu)模型(20m×20m),從其中心依次選取不同尺寸(邊長1m、2m、3m、...、14m)的正方形花崗片麻巖體試樣,進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)研究,得到了其等效變形參數(shù)(彈性模量、泊松比)及等效強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力、內(nèi)摩擦角)REV的大小。再次,旋轉(zhuǎn)巖體結(jié)構(gòu)模型,采用同樣的研究思路得到了不同方向上的力學(xué)參數(shù)REV大小,研究了其各向異性特征,并根據(jù)各力學(xué)參數(shù)的變異系數(shù)變化規(guī)律確定了最終的REV大小。最后,對花崗片麻巖體等效變形參數(shù)張量特性進(jìn)行了分析,并獲得了花崗片麻巖的等效柔度矩陣及其采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的最小尺寸,在此基礎(chǔ)上提出了巖體進(jìn)行等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析時(shí)的基本原則。 論文主要的研究內(nèi)容及成果主要包括以下兒個(gè)方面： 一、洞庫花崗片麻巖體結(jié)構(gòu)模型研究 (1)結(jié)構(gòu)面形成及演化歷史 洞庫區(qū)及其周圍鄰近地區(qū)分布的主要構(gòu)造體系包括紅崖山斷裂、老君塔山斷裂、前馬連溝斷裂以、孫家溝斷裂以及柳花泊斷裂,它們均屬于脆性斷裂,從區(qū)域構(gòu)造演化歷史來看,脆性斷裂的產(chǎn)生主要發(fā)生在中生代板內(nèi)活化階段,受太平洋板塊向NW或向W俯沖的影響,主要的構(gòu)造運(yùn)動為燕山運(yùn)動。 (2)結(jié)構(gòu)面的分級 距離工程區(qū)最近的三條大規(guī)模斷裂——前馬連溝斷裂、老君塔山斷裂及孫家溝斷裂屬于洞庫區(qū)的Ⅰ級結(jié)構(gòu)面；工程區(qū)規(guī)模較大F3斷層橫穿主洞室區(qū),F4斷層構(gòu)成洞庫穩(wěn)定性分析的邊界條件,屬于Ⅱ級結(jié)構(gòu)面；F1、F2、F7、F8、F9均為小型斷層或破碎帶,屬于Ⅲ級結(jié)構(gòu)面；花崗片麻巖體內(nèi)發(fā)育的數(shù)量眾多的構(gòu)造節(jié)理、巖脈侵入節(jié)理以及物質(zhì)分異面等屬于Ⅳ級結(jié)構(gòu)面；花崗片麻巖特有的片麻理屬于V級結(jié)構(gòu)面。Ⅳ級結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征直接反應(yīng)了巖體的完整性,是巖體結(jié)構(gòu)劃分的主要依據(jù),并控制著巖體的強(qiáng)度及變形破壞方式。 (3)花崗片麻巖體結(jié)構(gòu)類型及數(shù)值模型建立 花崗片麻巖體主要被軟弱結(jié)構(gòu)面F3、F4及F8切割成為Ⅰ級塊裂結(jié)構(gòu)(Ⅰ-1),被構(gòu)造節(jié)理及巖脈侵入節(jié)理等堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面斷續(xù)切割成為Ⅱ級塊狀斷續(xù)結(jié)構(gòu)(Ⅱ-2),具有斷續(xù)結(jié)構(gòu)的花崗片麻巖的力學(xué)性質(zhì)與研究尺寸緊密相連,表現(xiàn)出了明顯的尺寸效應(yīng)。根據(jù)洞庫區(qū)發(fā)育的三組陡傾角優(yōu)勢節(jié)理,考慮其傾向、傾角、跡長和間距四個(gè)幾何要素,采用Monte-Carlo方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬,從而得到了花崗片麻巖體結(jié)構(gòu)模型。 二、UDEC數(shù)值試驗(yàn)適宜性研究(1) UDEC求解巖體變形參數(shù)的可靠性 以含有兩組正交節(jié)理的規(guī)則巖體為例,通過對比其在不同方向上的柔度矩陣解析解及數(shù)值解,驗(yàn)證了UDEC求解巖體等效變形參數(shù)的可靠性。研究表明不同方向上的等效變形參數(shù)數(shù)值解與解析解吻合較好,且其等效彈性模量及泊松比隨研究方向的變化曲線近似于橢圓；等效剪切模量不隨研究方向的改變而改變,其擬合曲線呈圓形。 (2) UDEC求解巖體強(qiáng)度參數(shù)的可靠性 以含一組結(jié)構(gòu)面的巖體為例,利用Jaeger的單弱面強(qiáng)度理論求得結(jié)構(gòu)面傾角β在0°、15°、30°、...、90°下的巖體抗壓強(qiáng)度,并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比以驗(yàn)證UDEC求解巖體抗壓強(qiáng)度的可靠性。研究表明,除了β=75°的巖體抗壓強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于其解析解外,其它傾角下的抗壓強(qiáng)度數(shù)值解與理論解非常接近,相對誤差均小于1%。結(jié)構(gòu)面傾角β=75°時(shí)數(shù)值計(jì)算誤差較大的原因在于該傾角下的結(jié)構(gòu)面出露于巖體上下邊界,而數(shù)值壓縮試驗(yàn)過程中施加在巖體上下邊界的位移邊界條件限制了巖體沿結(jié)構(gòu)面的自由變形,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面兩端的巖塊也發(fā)生了破壞,增大了巖體強(qiáng)度。此外,通過完整巖石三軸數(shù)值壓縮試驗(yàn)求得其抗剪強(qiáng)度參數(shù),并與室內(nèi)試驗(yàn)得到的巖石強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行對比驗(yàn)證了UDEC求解等效強(qiáng)度參數(shù)的可靠性。 三、花崗片麻巖體力學(xué)參數(shù)REV各向異性研究 (1)巖體尺寸效應(yīng)研究及其力學(xué)參數(shù)REV 基于Monte-Carlo方法得到的花崗片麻巖體結(jié)構(gòu)模型(20m×20m),由其中心依次選取邊長lm、2m、3m、...、14m的正方形巖體試樣,進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)以確定各力學(xué)參數(shù)REV的大小�；◢徠閹r體等效彈性模量Ex、Ey,等效泊松比vxy、vyx及等效內(nèi)摩擦角φ均隨著巖體尺寸的增加波動性減小,趨于穩(wěn)定時(shí)對應(yīng)的巖樣邊長分別為5m、2m、5m、3m,6m,可知不同巖體力學(xué)參數(shù)的REV大小是不相同的,不能一概而論,表述時(shí)必須明確REV所指的對象。 (2)巖體力學(xué)參數(shù)REV各向異性 通過研究花崗片麻巖體在0°、30°、60°、90°、120°、150°方向上的巖體力學(xué)參數(shù)隨巖體尺寸增加的變化規(guī)律可知,不同方向上的等效力學(xué)參數(shù)Ex、Ey、vxy、vyx及φ均隨著巖體尺寸的增大而波動性減小,并逐漸趨于穩(wěn)定,且同一力學(xué)參數(shù)在不同方向上達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對應(yīng)的巖體尺寸不同,表明巖體的等效力學(xué)參數(shù)REV確實(shí)具有各向異性。最后通過計(jì)算不同尺寸巖體的各個(gè)等效力學(xué)參數(shù)在不同方向上的變異系數(shù),并根據(jù)各參數(shù)變異系數(shù)隨尺寸的變化規(guī)律確定了最終的各力學(xué)參數(shù)REV大小。 四、基于力學(xué)參數(shù)REV各向異性的花崗片麻巖體等效連續(xù)性研究 (1)等效變形參數(shù)張量特性研究 基于上述研究對巖體等效變形參數(shù)的張量特性進(jìn)行了分析,當(dāng)巖體尺寸達(dá)到6m×6m后,各等效變形參數(shù)的擬合曲線形狀近似于橢圓,且其長軸與短軸的差別不大,各向異性特征不明顯；等效彈性模量Ex、Ey的數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本上都落在了相應(yīng)的各條擬合曲線上,誤差較小；而等效泊松比vxy、vyx的數(shù)值計(jì)算結(jié)果則較偏離各條擬合曲線,相對而言誤差較大。此時(shí)由等效變形參數(shù)得到的柔度矩陣擬合誤差基本接近于5%,低于10%的允許誤差,表明花崗片麻巖的等效彈性模量Ex、Ey及泊松比vxy、vyx可以采用張量的形式近似表示。最后綜合確定花崗片麻巖等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的最小尺寸為6m×6m。 (2)巖體的等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析基本原則 力學(xué)參數(shù)REV各向異性研究的目的是確定巖體在不同方向上的各個(gè)力學(xué)參數(shù)都趨于穩(wěn)定時(shí)的巖體尺寸；而巖體變形參數(shù)能夠用張量形式近似表示這一條件的本質(zhì)是確定不同方向上的巖體等效柔度矩陣均趨于穩(wěn)定時(shí)的巖體尺寸,且其擬合誤差在允許范圍內(nèi)。柔度矩陣是由等效變形參數(shù)計(jì)算得到的,不同方向上的柔度矩陣趨于穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)即是不同方向上的等效變形參數(shù)趨于穩(wěn)定,可見等效變形參數(shù)張量特性的研究包括了等效變形參數(shù)REV的各向異性研究。故巖體力學(xué)參數(shù)REV的各向異性與其等效變形參數(shù)張量特性在本質(zhì)上具有共同之處,即都要研究巖體等效變形參數(shù)REV的各向異性,而它們的不同之處在于前者還包括了巖體強(qiáng)度參數(shù)REV的各向異性研究,后者則要進(jìn)行等效柔度矩陣擬合誤差的分析。根據(jù)兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系,提出了巖體的等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析基本原則,即首先進(jìn)行巖體等效變形參數(shù)張量特性的研究,它包含了等效變形參數(shù)REV及其各向異性研究,其次再進(jìn)行等效強(qiáng)度參數(shù)REV及其各向異性研究,并取它們中的較大值作為等效連續(xù)分析的最小尺寸。 通過以上研究主要得到以下認(rèn)識：巖體的各力學(xué)參數(shù)REV大小是不相同的,在表述巖體REV時(shí)必須明確其所指的具體對象；各力學(xué)參數(shù)在不同方向上的REV大小是不同的,確定力學(xué)參數(shù)REV大小時(shí)必須研究其各向異性特征；力學(xué)參數(shù)REV的各向異性與等效變形參數(shù)張量特性在本質(zhì)上存在共同之處,巖體的等效連續(xù)分析需要遵循一定的原則。本文的創(chuàng)新之處在于：(1)通過數(shù)值試驗(yàn)研究了巖體力學(xué)參數(shù)REV的各向異性,并根據(jù)各力學(xué)參數(shù)的變異系數(shù)變化規(guī)律確定了最終的各力學(xué)參數(shù)REV大�。�(2)探討了巖體力學(xué)參數(shù)REV的各向異性與等效變形參數(shù)張量特性之間的聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上提出了巖體進(jìn)行等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的基本原則。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1429417