【摘要】：天然巖體在漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用過(guò)程中,被大小不等、方向各異的結(jié)構(gòu)面縱橫切割,而形成具有一定結(jié)構(gòu)的不連續(xù)體,使得巖體的力學(xué)特性要比巖石復(fù)雜得多。本文對(duì)節(jié)理試件進(jìn)行了聲波波速測(cè)試、聲發(fā)射測(cè)試、常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和三軸卸荷試驗(yàn),研究了節(jié)理巖體的聲學(xué)特性和加卸載力學(xué)特性,同時(shí),通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)研究了節(jié)理巖體的尺寸效應(yīng),確定了節(jié)理巖體的等效力學(xué)參數(shù),提出了節(jié)理巖體的加卸載屈服準(zhǔn)則和節(jié)理巖體卸荷損傷等效力學(xué)模型,最后,將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論有以下幾點(diǎn)： (1)通過(guò)對(duì)節(jié)理試件進(jìn)行聲波波速測(cè)試,結(jié)果表明：完整試件和節(jié)理試件的聲波波速服從正態(tài)分布,且存在一定的離散性,分析其產(chǎn)生的原因主要來(lái)自于試件內(nèi)部缺陷、測(cè)量誤差和采集系統(tǒng)精度；對(duì)于節(jié)理試件,通過(guò)改變傳感器布設(shè)位置,實(shí)現(xiàn)了聲波以不同入射角穿越節(jié)理,與完整試件相比,不同入射角聲波穿越節(jié)理均有不同程度衰減,且衰減程度隨入射角增大呈線性增大關(guān)系。 (2)通過(guò)對(duì)節(jié)理試件的單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行聲發(fā)射測(cè)試,結(jié)果表明：聲發(fā)射的4個(gè)過(guò)程,即初始?jí)好軈^(qū)、上升區(qū)、峰值區(qū)和下降區(qū),與其應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程一一對(duì)應(yīng)；在聲發(fā)射過(guò)程中,聲發(fā)射幅值、撞擊數(shù)和能量的變化規(guī)律一致；不同傾角節(jié)理試件的聲發(fā)射幅值、撞擊數(shù)和能量有明顯差異。因此,節(jié)理巖體的聲學(xué)特性具有各向異性。 (3)通過(guò)對(duì)節(jié)理試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),結(jié)果表明：節(jié)理試件的單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量均有降低,而橫向和縱向位移則為增大,上述參數(shù)均隨節(jié)理傾角呈U型變化,60°傾角試件參數(shù)均為最�。还�(jié)理試件分為兩種破壞模式,即軸向劈裂破壞和沿節(jié)理面滑動(dòng)破壞。 (4)通過(guò)對(duì)節(jié)理試件進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),結(jié)果表明：節(jié)理試件的彈性模量、變形模量、三軸抗壓強(qiáng)度和粘聚力隨節(jié)理傾角的變化規(guī)律與單軸壓縮試驗(yàn)一致,均呈U型變化,隨著圍壓等級(jí)升高,上述參數(shù)極值之比逐漸變小,說(shuō)明節(jié)理試件的力學(xué)性能的差異在逐漸減小；內(nèi)摩擦角隨節(jié)理傾角增大呈線性增大關(guān)系。 (5)通過(guò)對(duì)節(jié)理試件進(jìn)行三軸卸荷試驗(yàn),結(jié)果表明：節(jié)理試件卸荷過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在較大差異,45°和60°傾角試件應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎為水平直線,且無(wú)破壞特征；變形模量呈指數(shù)關(guān)系遞減：卸載破壞時(shí)刻的軸向應(yīng)力和粘聚力呈U型分布,45°、60°傾角試件在破壞時(shí)軸向力幾乎未降低,這與其破壞模式緊密相關(guān)；不同的卸荷速率(0.01MPa/s、0.02MPa/s、0.05MPa/s)對(duì)節(jié)理試件變形模量、峰值強(qiáng)度、強(qiáng)度參數(shù)和破壞圍壓均有影響。 (6)通過(guò)對(duì)等間距平行節(jié)理巖體進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn),結(jié)果表明：不同傾角的節(jié)理巖體均具有尺寸效應(yīng),且變化規(guī)律存在差異,當(dāng)巖體強(qiáng)度為節(jié)理面強(qiáng)度控制時(shí),變形模量隨模型尺寸呈指數(shù)關(guān)系增大,當(dāng)巖體強(qiáng)度為巖石強(qiáng)度控制時(shí),變形模量隨模型尺寸呈對(duì)數(shù)關(guān)系減小,且趨于穩(wěn)定；不同尺寸的節(jié)理巖體也具有明顯的各向異性,沿節(jié)理走向方向的變形模量受節(jié)理影響較小,沿節(jié)理傾向方向和高程方向的彈性模量受節(jié)理影響較大,且呈對(duì)稱關(guān)系。 (7)根據(jù)節(jié)理巖體的加卸載試驗(yàn)和節(jié)理面力學(xué)效應(yīng)分析,提出了單一節(jié)理及層狀巖體的加卸載屈服準(zhǔn)則,同時(shí),將屈服準(zhǔn)則劃分為2段,即受節(jié)理面強(qiáng)度控制和受巖石強(qiáng)度控制。 (8)節(jié)理巖體在卸荷過(guò)程中變形模量和強(qiáng)度參數(shù)大大降低,并將其定義為卸荷損傷；通過(guò)建立卸荷過(guò)程中的變形模量降幅與損傷變量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,提出了節(jié)理巖體卸荷損傷等效力學(xué)模型。 (9)采用本文所提出的節(jié)理巖體卸荷損傷等效力學(xué)模型對(duì)小灣水電站高水位運(yùn)行大壩與邊坡相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)一致,且在數(shù)值上吻合較好,說(shuō)明此力學(xué)模型可較好地反映節(jié)理巖體的變形特性。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2516163