基于直剪試驗的非貫通節(jié)理巖體擴展貫通研究.pdf

1、巖體是水利水電、交通、采礦和石油等工程廣泛遇到的一類復(fù)雜工程介質(zhì)，巖體的強度和變形對工程起著至關(guān)重要的作用。非貫通節(jié)理巖體的破壞和失穩(wěn)最終都是通過巖體內(nèi)部節(jié)理面的張開、閉合和擴展而產(chǎn)生的貫通滑移所引起的。巖體的破壞通常是由節(jié)理和巖橋共同破壞組成的，整體的破壞特征表現(xiàn)為原生節(jié)理和自節(jié)理端部擴展的巖橋斷面所組成的復(fù)合破壞面。節(jié)理和巖橋?qū)Ψ秦炌?斷續(xù))節(jié)理巖體節(jié)理的變形和強度特性各自發(fā)揮什么作用，節(jié)理與巖橋變形、破壞發(fā)展規(guī)律等問題至今仍沒有很

2、好地解決。非貫通節(jié)理巖體因初始張拉破壞發(fā)生初裂后，仍能繼續(xù)承擔(dān)高于初裂時的荷載。只有當(dāng)荷載繼續(xù)增加，達到峰值強度后，非貫通節(jié)理巖體才貫通破壞。顯然，初裂強度和峰值強度是不同的。張拉破壞決定了非貫通節(jié)理巖體初裂強度，但張拉破壞對非貫通節(jié)理巖體峰值強度影響尚需進一步研究楚。直剪試驗有許多優(yōu)點，可以很好的模擬非貫通節(jié)理巖體的受力狀態(tài)，是研究非貫通節(jié)理擴展貫通有效手段。然而，大量的理論和試驗工作集中在單軸或雙軸試驗研究，而較少采用直剪試驗研究。

3、 通過分析非貫通節(jié)理巖體幾何和力學(xué)特點并進行非貫通節(jié)理巖體直剪試驗，研究非貫通節(jié)理巖體擴展貫通規(guī)律，并努力探索非貫通節(jié)理巖體研究的新思路。本文的主要研究成果如下： 研究了非貫通節(jié)理巖體幾何特點，提出了根據(jù)節(jié)理面和剪切面的關(guān)系，將非貫通節(jié)理巖體分為共面非貫通節(jié)理巖體和不共面非貫通節(jié)理巖體。根據(jù)巖橋和節(jié)理的幾何關(guān)系，將共面非貫通節(jié)理巖體又分為三小類，且將不共面非貫通節(jié)理巖體又分為兩小類。 參與研制了直剪試驗儀。直剪試

4、驗儀由主機、液壓系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、計算機控制及處理系統(tǒng)四大部分組成。直剪試驗儀可以方便地進行常法向應(yīng)力、常法向位移下的直剪試驗；加載實現(xiàn)了自動化，各項測量數(shù)據(jù)由計算機自動記錄；測量精度高、量程大；控制方便靈活，操作界面友好。 研究了直剪試驗下非貫通節(jié)理巖體擴張貫通過程中的強度和變形特性，巖橋應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律。切向變形曲線可以歸納為四個階段：初裂前階段、穩(wěn)定擴展階段、非穩(wěn)定擴展階段和摩擦階段。分析了各階段的特征強度與峰值強度

5、的關(guān)系。非貫通節(jié)理巖體切向變形曲線分段和巖橋的應(yīng)力、應(yīng)變的變化具有對應(yīng)關(guān)系。 研究了非貫通節(jié)理巖體的破壞機理，修正了Laitai巖橋張拉破壞理論。分析了非貫通節(jié)理巖體巖橋微元的應(yīng)力狀態(tài)，提出了非貫通節(jié)理巖體巖橋微元存在張拉和剪切破壞兩種破壞方式選擇及力學(xué)模型。重點研究了非貫通節(jié)理巖體貫通破壞過程的特點，提出了非貫通節(jié)理巖體的貫通破壞模式。貫通破壞模式分為四種：TTTT(張拉破壞)、TTTS(拉剪復(fù)合，以拉為主)、TTSS(拉剪復(fù)

6、合，以剪為主)、SSSS(剪切破壞)。 研究了非貫通節(jié)理巖體擴展貫通過程中巖橋力學(xué)性質(zhì)的變化，提出了巖橋力學(xué)性質(zhì)弱化的概念，分析了巖橋弱化的原因和弱化區(qū)域。提出了抗拉強度作為細(xì)觀元件之一的膠結(jié)桿的表征參數(shù)。建立了巖橋抗剪參數(shù)弱化模型。提出了基于細(xì)觀弱化模型的非貫通節(jié)理巖體的切向變形曲線的公式，并研究了模型中各參數(shù)對切向變形曲線的影響。 分析了目前強度準(zhǔn)則的不足，建立了非貫通節(jié)理巖體擴展貫通的強度準(zhǔn)則。新的強度準(zhǔn)則反映了非

7、貫通節(jié)理巖體的幾何特性和力學(xué)性質(zhì)，包括節(jié)理幾何位置、節(jié)理面的抗剪強度參數(shù)和巖橋的抗剪強度參數(shù)等，考慮到了不同破壞模式的影響，而且引入了抗剪參數(shù)弱化系數(shù)反映了巖橋力學(xué)性質(zhì)的弱化。 進行了大量的非貫通節(jié)理巖體直剪試驗。新的巖橋張拉理論可以合理地解釋直剪試驗中非貫通節(jié)理巖體試驗現(xiàn)象。提出的非貫通節(jié)理巖體貫通破壞模式與直剪試驗非貫通節(jié)理巖體的破壞過程基本一致，其破壞機理能夠解釋非貫通節(jié)理巖體的破壞形態(tài)。按新的非貫通節(jié)理巖體貫通強度準(zhǔn)則計