節(jié)理巖體特性的模型試驗(yàn)和特征單元體的研究.pdf

1、巖石的特殊形成過(guò)程決定了巖體材料性質(zhì)的復(fù)雜性。一般自然界中巖體經(jīng)受過(guò)復(fù)雜的地質(zhì)作用后,其內(nèi)部存在不同規(guī)模、性質(zhì)各異的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、裂隙、斷層等),使得巖體的結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)性質(zhì)錯(cuò)綜復(fù)雜。本文從室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算這兩方面研究了節(jié)理巖體的強(qiáng)度和變形特性以及巖體特征單元體。巖體特征單元體REV(Representative Elementary Volume)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一個(gè)重要概念。REV是一個(gè)尺度,即將巖體等效連續(xù)力學(xué)性質(zhì)視

2、為常數(shù)的最小尺度。本文主要作了如下工作:
　　(1)通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了多節(jié)理巖體的強(qiáng)度和變形特性。主要制作了三類試件,分別是完整試件、節(jié)理試件和加錨節(jié)理試件。節(jié)理試件是在完整試件的內(nèi)部預(yù)制了三個(gè)一定傾角的節(jié)理,加錨節(jié)理試件是在節(jié)理試件內(nèi)部預(yù)留錨孔,待試件達(dá)到一定強(qiáng)度后采用數(shù)值錨固劑將錨桿錨固其中后的試件。節(jié)理的傾角(節(jié)理面與水平面之間的夾角)設(shè)有30°、45°、60°三種。對(duì)三類試件分別進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)的主要內(nèi)容和

3、主要結(jié)論如下:1)通過(guò)對(duì)不同配合比的砂漿材料進(jìn)行單軸壓縮和劈裂試驗(yàn),研制出了一種與工程巖體物理力學(xué)參數(shù)滿足一定相似比的砂漿材料。并以此配合比選擇了一硬鋁合金作為相似錨桿材料。2)對(duì)三種試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分別研究了預(yù)制節(jié)理對(duì)模擬巖體材料強(qiáng)度的弱化效果及錨桿對(duì)節(jié)理巖體的加固效應(yīng)。結(jié)果表明隨著節(jié)理傾角的增大,節(jié)理對(duì)巖體的強(qiáng)度弱化效果愈明顯。此時(shí),錨桿對(duì)節(jié)理的加固效應(yīng)也愈顯著。預(yù)制節(jié)理對(duì)模擬巖體試件、錨固對(duì)節(jié)理巖體試件的破壞形態(tài)都產(chǎn)生了顯著

4、影響。
　　(2)通過(guò)總結(jié)前人的科研成果,歸納了節(jié)理巖體等效連續(xù)模型的基本思路和強(qiáng)度等效的基本原理。總結(jié)了節(jié)理巖體特征體(REV)的研究方法。重點(diǎn)介紹了數(shù)值方法研究巖體特征單元的思路和步驟。
　　(3)以大崗山水電站工程為背景,通過(guò)數(shù)值模擬方法確定了該工程計(jì)算域巖體的特征單元體尺寸以及等效力學(xué)參數(shù),并通過(guò)數(shù)值加載試驗(yàn),確定了滿足REV尺寸巖體的強(qiáng)度屈服方程。結(jié)果表明,該巖體的屈服曲線滿足指數(shù)函數(shù)。
　　(4)建立了大崗

5、山水電站洞室群準(zhǔn)三維計(jì)算模型。采用兩種計(jì)算方案,一種方案是利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算得到的巖體參數(shù)(由設(shè)計(jì)單位提供),并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演進(jìn)而得到修正的巖體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算;另一種計(jì)算方案是考慮隨機(jī)節(jié)理,通過(guò)數(shù)值方法確定不同巖體分區(qū)的REV尺寸和巖體等效參數(shù)及強(qiáng)度屈服函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。分別以上述兩種方案進(jìn)行該工程洞室群的開挖模擬計(jì)算,對(duì)計(jì)算結(jié)果中的關(guān)鍵點(diǎn)位移做了研究。同時(shí)考慮了圍巖劈裂破壞產(chǎn)生的裂隙張開位移,利用山東大學(xué)前人研究的經(jīng)驗(yàn)