考虑三维形貌的结构面剪切变形特征研究

论文摘要

岩体多沿结构面发生剪切变形破坏,而结构面形貌关系到其剪切变形行为,因此开展考虑结构面形貌特征的剪切变形行为研究具有重要的意义。本文应用三维激光扫描技术和分形理论,对结构面形貌信息采样精度和粗糙度空间分布特征进行了研究,并建立三维形貌表征模型。在考虑形貌特征的基础上,运用3D打印技术制作结构面物理模型开展剪切试验,建立考虑结构面三维形貌的刚度表征模型,并结合岩体本构模型开展试验验证,主要研究内容及结论如下:（1）对结构面形貌信息采样精度和分布特征进行研究。对野外采集的不同种类岩体结构面,运用三维激光扫描技术获得三维形貌信息,以粗糙度系数JRC为依据,分别对结构面剖面线和剖面线上采样点开展间隔效应研究。根据不同间隔时JRC值波动性,提出临界间隔值的概念来描述采样间隔效应,发现剖面线临界间隔值在4mm左右,而采样点临界间隔值与JRC值呈负指数函数关系。在确保采样精度的基础上,对采集的31个结构面样本开展粗糙度各向异性研究,结果发现,在同一方向上,31个样本JRC值服从对数正态分布。（2）提出新的形貌参数,建立结构面三维形貌参数表征模型。在结构面形貌信息采样精度和粗糙度分布特征研究的基础上,运用起伏角、起伏高度以及爬坡路径参数,提出能够反映三维形貌的参数Gα3D,建立形貌参数表征模型,并通过结构面直剪试验获得抗剪强度参数来验证了其合理性。（3）建立结构面刚度表征模型,描述结构面变形特征。运用3D打印技术还原结构面形貌,浇筑物理模型开展三种材料强度和八个剪切方向的结构面直剪试验。建立形貌参数、结构面壁面强度以及法向应力与试验获得切向刚度之间关系,构建各向异性切向刚度模型;结合结构面法向应力和壁面强度构建结构面法向刚度模型。将切向刚度表征模型和法向刚度表征模型结合,建立结构面刚度表征模型。（4）对刚度表征模型进行试验验证。应用刚度表征模型,结合岩体本构关系,推导获得含结构面刚度参数的岩体弹性模量理论计算公式。制备含特定形貌结构面圆柱试样,开展含不同倾角单结构面单轴压缩试验,获得试样弹性模量。岩体弹性模量理论计算值与试验值差异不大,随着倾角的变化两种方法所得模量值变化规律相同,且随着材料强度的增大计算值与试验值误差逐渐降低,反映出刚度表征模型的合理性。（5）根据上述研究结果可知,在已获得相关结构面形貌参数、应力状态和岩体材料强度的情况下,可省去繁杂的试验,直接使用结构面刚度表征模型来获得结构面刚度参数,从而更为方便的描述结构面变形行为。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张国彪

导师: 张莎莎,包含

关键词: 结构面形貌,采样精度,粗糙度分布特征,形貌参数表征模型,结构面刚度表征模型

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 长安大学

分类号: TU45

总页数: 88

文件大小: 10719K

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