郭志华[1]2004年在《层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验》文中研究表明长期以来,工程岩体力学参数取值一直采用经验方法,除岩体力学试验的地质代表性外,最大的困难在于如何将小尺寸(小于1m)的试验成果应用于工程范围的岩体参数取值。已有试验研究成果表明由于岩体中结构面的存在,当试验尺寸从室内岩块试验的0.05m增加到现场岩体试验的0.50m时,岩体变形模量明显降低。问题是岩体尺寸增加到多大时才能代表工程岩体的性质(即确定岩体的代表性单元尺寸),并由此确定岩体宏观力学参数。现代计算机技术的迅速发展以及在岩土工程领域的广泛应用使得用数值方法模拟岩体的力学性质成为可能。本文以水布垭工程为背景,围绕层状岩体的宏观力学参数,开展了下列研究工作:(1)在全面获取岩体宏观力学参数研究现状的基础上,通过对现场岩体试验、工程岩体分级和位移反分析等方法的深入认识,论述开展层状岩体宏观力学参数计算机模拟试验的重要性与必要性,并探讨了计算机模拟实验的方法论;(2)以水布垭工程为背景,建立了地质概化模型,开展了现场承压板试验计算机模拟,研究了承压板直径、软弱岩层的埋深和软弱岩层的弹性模量对岩体弹性模量的影响。结果表明:软岩的埋深对层状岩体力学参数的影响有一个临界深度,临界深度大约为承压板直径的6～8倍;同一埋深时,层状岩体的等效弹性模量随着软岩弹性模量的减小而减小,在达到临界深度后,软岩弹性模量对岩体的等效弹性模量影响较小;层状岩体的宏观力学参数与承压板的直径有关,当承压板的直径大于5～6m时,层状岩体的等效弹性模量趋于一个稳定值。(3)在上述研究成果的基础上,开展了层状岩体叁轴压缩试验的计算机模拟实验,以研究层状岩体的各向异性,软弱岩层的倾角、埋深对层状弹性模量的影响,以及软弱岩层的倾角和埋深对叁轴压缩试验弹性模量的联合影响;研究结果表明:含有水平岩层的岩体表现出横观各向异性的性质;岩体的弹性模量随着岩层倾角的变化而变化,倾角为45°时,岩体的等效弹性模量最小;在软弱岩层埋深没有超过临界值时,岩体的等效弹性模量随着软弱岩层的埋深增大而增大,并给出了倾角与埋深对等效弹性模量的联合影响面。
郭志华, 盛谦, 梅松华, 冷先伦[2]2004年在《层状复合岩体宏观力学参数的计算机模拟试验》文中研究说明以清江水布垭水利枢纽工程为背景,结合现行的岩石力学试验方法,对层状复合岩体进行了叁轴压缩试验的计算机模拟。研究了层状复合岩体宏观变形参数的各向异性以及岩层倾角、埋深、变形模量等因素对层状复合岩体宏观力学参数的影响,其结果可望对人们认识岩体的宏观力学参数有所裨益。
殷鹏飞[3]2016年在《层状复合岩石试样力学特性单轴压缩试验与颗粒流模拟研究》文中研究指明受到地球漫长而复杂的地质活动作用,自然界中广泛分布着层状复合岩层这一特殊的地质体,这种岩层往往由不同岩性的岩层交替构成,并且层与层之间的结合十分紧密。不同于一般单一岩性的岩体,这种层状复合岩层的非均质性、不连续性和各向异性特征更加显着,其力学特性不仅受各层间结构面力学特性的影响,各层的力学特性、结构面的倾角等对岩体工程的稳定与安全同样至关重要,因此,我们需要对层状复合岩层的基本力学特性有一些深入的了解,认清它的变形破坏机理,以求对工程实际有一定的参考指导意义。本文采用相似材料,模拟制作了层状复合岩层的类岩石试样,通过室内单轴压缩试验和颗粒流数值模拟的方法,研究分析了层状复合岩层的相关力学特性。主要研究工作如下:(1)设计加工了专门用于层状复合岩层类岩石试样制作的模具,研究了钻取、加工不同岩层倾角试样的方法;采用普通硅酸盐水泥、石英砂和熟石膏等相似材料,通过一系列的配比试验,配制了两种不同力学特性的相似材料,将这两种相似材料分别制作成单一类岩石试样,进行常规叁轴压缩试验和巴西劈裂试验,研究了它们的基本力学特性。(2)制作了由这两种不同力学特性相似材料组成的层状复合岩层类岩石试样,试样分为叁组不同的层厚比,每组试样7种不同的岩层倾角,对这些试样进行了单轴压缩试验,同时记录了试样的声发射(AE)数据和试样表面的裂纹扩展过程,分析了试样单轴压缩的强度变形特性、声发射特征和破坏模式。(3)采用颗粒流模拟程序—PFC2D,通过对不同区域赋值不同的参数和加入节理的方法,构建了层状复合岩层类岩石试样的模拟模型,在对节理细观参数进行敏感性分析的基础上调试得到了一组能反映实际试验宏观力学特性的PFC2D细观参数,由此模拟验证了层状复合岩层类岩石试样室内单轴压缩试验结果,并从模拟得到的试样的裂纹数目和细观位移场等方面深入分析了层状复合岩层类岩石的变形破坏机理。
伍东卫[4]2013年在《层状岩体力学参数的状态相关性研究》文中进行了进一步梳理如何合理确定岩体力学参数一直是岩体力学领域及工程建设中的重要研究课题。岩体力学参数的取值不仅与完整岩块的材料性质有关，还与工程岩体所处的状态紧密相联。本文在岩体力学参数数值试验模型辨识的基础上，通过大量岩体数值试验，研究了岩体结构特征、应力状态、孔隙水压力等因素对层状岩体变形模量、抗剪断强度参数的影响。论文的主要研究工作及成果如下：1）回顾了岩体力学参数的确定方法及状态相关性研究的国内外现状，总结和分析了影响岩体力学参数的状态因素和研究方法，提出了采用数值仿真手段研究岩体结构形态特征、应力状态、孔隙水压力等因素对层状岩体力学参数取值的影响。在此基础上，以淋溪河水电站坝址区部分岩体刚性承压板试验和现场直剪试验结果为依据，运用计算机模拟技术对其进行数值仿真试验，通过物理试验和数值试验结果的对比分析，说明了以上两种岩体力学试验的模拟方法是可行的。2）基于大量刚性承压板数值试验和现场直剪数值试验，研究了岩体结构特征对层状岩体力学参数的影响规律。通过对承压板数值试验中各类岩体铅直位移等值线的分布及试验结果进行分析发现，层状岩体变形特征具有明显的结构效应，结构面倾角、间距、刚度对岩体变形模量的影响是相互影响的。同时，为进一步探究结构特征对层状岩体变形模量的影响，采用解析法对同类层状岩体的变形模量进行了研究，得到的成果与数值试验法基本相同。通过模拟结构面产状不同的层状岩体现场直剪试验，采用莫尔-库伦准则对试验数据进行整理，探究了层状岩体抗剪断强度参数的结构面产状效应。3）通过模拟不同初始应力大小下的层状岩体现场承压板试验，探讨了初始应力对层状岩体变形模量的影响。在侧压力系数为0.5的应力环境下，层状岩体变形模量会随着初始应力的增加而变大，但当初始应力增至某一特定值时，层状岩体变形模量的变化特征会因结构面倾角的不同而出现较大差异。通过模拟初始应力水平不同的层状岩体现场直剪数值试验，研究了初始应力大小对层状岩体抗剪断强度参数的影响。在侧压力系数为0.5的应力环境下，随着初始应力的增大，除倾角0°的层状岩体抗剪断强度参数保持不变外，其他倾角层状岩体粘聚力呈线性增加但内摩擦角基本保持不变。基于同类层状岩体的现场直剪、室内直剪、叁轴压缩等数值试验结果，阐明了岩体加载状态对层状岩体抗剪断强度参数的影响。由于同类岩体在不同试验方法中的加载状态及变形破坏机制均不同，其所得抗剪断强度参数值存在较大差异。4）通过模拟含不同孔隙水压力的层状岩体现场承压板试验和现场直剪试验，探究了孔隙水压力对层状岩体力学参数的影响规律。研究成果表明：层状岩体变形模量随孔隙水压力的增加而变大，但变化特征因结构面倾角不同而不同；随着孔隙水压力的增加，层状岩体的粘聚力呈线性减小，内摩擦角基本不变。5）基于不同状态下层状岩体数值试验研究成果，建立了应用参考状态岩体力学参数和状态影响因子求解不同状态下的层状岩体力学参数的函数关系表达式。
李祥龙[5]2013年在《层状节理岩体高边坡地震动力破坏机理研究》文中研究表明地震诱发的层状节理岩体高边坡破坏是一种常见的的自然地质灾害,破坏范围极大,破坏力极强。对于其地震动力破坏机理的研究,涉及到多学科的交叉,一直是科学界的研究重点和难点之一。目前的研究手段和研究方法多数借鉴于对土质边坡地震动力破坏机理研究的成果,不能很好的反映出层状节理岩体的结构特征和动力变形破坏特点。本文从层状节理岩体的物理力学特征入手,以结构面网络控制理论为核心思想,综合利用工程地质分析法、岩体力学理论、岩石断裂力学理论、物理模型试验手段和数值模拟试验手段,分别针对顺层节理岩体高边坡、逆层节理岩体高边坡和近水平层状节理岩体高边坡的地震动力破坏机理进行了系统的研究探索,主要的研究结论如下：以结构面网络控制理论为指导思想,系统分析了叁种层状节理岩体高边坡的岩体结构面网络发育特征和物理力学性质,将结构面分为层面和正交次级节理面两大类,认为层面和正交次级节理均存在着贯通部分和非贯通部分;着重强调了正交次级节理对岩体边坡地震动力稳定性的影响；指出岩体结构面的非贯通部分所具有的强度对岩体边坡地震动力稳定性的贡献十分显着。运用岩体力学理论和岩石断裂力学理论,通过理论推导和对前人试验结果的分析,明确了岩石材料内部的微裂纹只能产生Ⅰ型张拉破坏,而所谓的岩石裂纹Ⅱ型剪切破坏,实际上是由无数微观的Ⅰ型张拉破坏面连接而成的细观破坏面,其尺度已经超出经典材料断裂力学微观尺度研究范畴,不属于真正意义上的裂纹Ⅱ型剪切破坏,从而说明岩石断裂力学实际上是一门介于微观和宏观尺度之间的材料科学。推导了层状岩体层面内部细观裂纹扩展贯通的断裂力学计算公式和破坏判据,研究了在不同应力条件下和不同的层面强度条件下层面内部裂纹扩展贯通的规律。研究结果证明,层面的强度与受力状态相关,并且层面强度与完整岩块强度的比值会影响层面的扩展模式。改进了层状岩体内部正交次级节理形成机制构造力学模型,并分析了不同构造力学条件下正交次级节理扩展的断裂力学机制。利用岩石断裂力学理论从力学角度系统研究和总结了为何层状岩体中的正交次级节理无法穿透层面切割多层岩石。研究结果表明,产生这种现象的原因主要有：正交次级节理无法穿透已经产生贯通的层面；由于非贯通层面断裂韧度远低于完整岩块断裂韧度,因此正交次级节理在扩展至与非贯通层面交汇时,无论处于何种应力状态,均会优先沿层面延伸方向产生扩展,使层面逐渐贯通,而无法切穿非贯通层面进而切割多层岩石。总结了顺层、逆层和近水平层状节理岩体高边坡地震动力破坏基本特征,改进了各类边坡的地震动力破坏模型。以结构面网络控制理论为指导,分别对顺层、逆层和近水平层状节理岩体高边坡在地震动力作用下内部层面和正交次级节理面的破坏模式进行了详细的分类研究,通过研究证明,对于顺层节理岩体高边坡,在水平地震动力作用下其内部非贯通层面部位也可能处于受拉应力状态,产生张拉破坏,并非只能产生剪切破坏。通过分析指出,贯通结构面由于胶结或填充作用所具有的微小抗拉强度不能在动力破坏分析过程中被忽视,因为当抗拉强度丧失后,贯通结构面的抗剪强度也会显着减小。为此,提出了考虑贯通结构面动力破坏过程中抗拉强度与抗剪强度关系的改进Mohr-Coulomb破坏准则。使用相似材料制作了含有非连续的层面和非贯通的次级节理顺层和逆层岩质边坡物理模型,并对其进行了离心机动力试验研究。对岩石相似材料的常规试验和裂纹扩展试验结果证明本文所设计的岩石相似材料制作方法和闭合接触层面和次级节理制作方法能够较好的反映真实层状节理岩体的物理力学特性。岩石相似材料采用石膏和细砂及水的混合物通过标准化的制备方法制成,其物理力学特性与沉积砂岩近似：设计了新的工艺和新的方法,首次实现了完全闭合接触的贯通层面的制作；实现了层面非贯通部位的精确位置控制和较为精确的强度控制；设计并改进了离心机试验系统,其中改进了试验加载平台,使其适用于岩体边坡模型动力试验；设计了新的裂隙扩展监测装置,用于监测边坡层面的准确破坏时刻。离心机模型试验结果证明：①边坡地形放大效应与地震动力输入频率和振幅有关,并分析推断产生这种现象的原因为边坡阻尼的影响,阻尼不是常数,与震动频率有关,并且阻尼越大,边坡的地形放大效应越明显；②层状岩体中广泛发育的正交次级节理对层状岩质边坡的动力响应和动力破坏均存在显着的影响,含有正交次级节理的边坡模型动力稳定性小于不含有正交次级节理的边坡模型。完善了使用非连续性介质模拟方法和连续性介质模拟方法进行层状节理岩体高边坡建模进行耦合计算的原理及具体实现方法。其中非连续介质建模部分采用PFC2D软件,连续性介质建模部分采用FLAC软件。系统研究了由颗粒集合体粘结而成的PFC2D岩块模型中颗粒细观参数与模型宏观参数之间的关系；改进了非贯通Smooth Joint接触模型破坏准则,设计了两种在PFC2D层状岩体模型内部表达层状岩体内部正交次级节理的方法,即通过折减层间岩块强度的隐式方法,和使用改进的Smooth Joint接触模型显式添加正交次级节理的方法：建立了PFC2D层状岩体模型,通过对模型进行单轴抗压试验,并与岩石断裂力学理论计算结果相对比,证明了该模型的适用型。分别建立了顺层、逆层、近水平层状节理岩体高边坡PFC2D/FLAC耦合计算模型,进行了边坡地震动力破坏过程数值模拟,分析了各类边坡地震动力破坏的基本模式,并针对层状节理岩体中层面和正交次级节理的参数对边坡地震动力破坏过程的影响进行了试验研究,研究结果如下：在地震动力破坏过程中,顺层节理岩体边坡主要沿层面与正交次级节理组合而成的破坏面产生滑动破坏。内部非贯通层面不只会产生剪切破坏,而且会产生张拉破坏；正交次级节理主要产生张拉破坏,几乎不存在剪切破坏。非贯通层面部分的强度和层面贯通率对顺层边坡地震动力稳定性的影响十分明显,贯通层面摩擦角的影响较小；非贯通正交次级节理强度和节理间距对边坡地震动力稳定性、破坏模式、破坏范围均有着显着的影响：贯通正交次级节理的摩擦角对边坡地震动力过程几乎不产生影响。试验结果证明,层状岩体中广泛发育的正交次级节理对顺层岩体边坡地震动力破坏模式影响显着,在进行顺层节理岩体边坡地震动力稳定性分析时,必须考虑正交次级节理的发育对其破坏模式和稳定性的影响。实验结果还证明,顺层岩体边坡地震动力顺层滑动破坏机理的传统理论存在着漏洞,顺层边坡内部的层面,即使在如本文所施加的水平地震动力作用下,仍然可以产生张拉破坏,因此在对边坡地震动力稳定性的研究中,必须考虑层面抗拉强度的影响。试验中顺层节理岩体高边坡的动力破坏是一个渐进的过程,随着地震动力输入的增强,边坡破坏区域由表层区域逐渐向边坡内部扩展,边坡在破坏过程中内部会形成多条贯通破坏面,破坏区域的岩体在地震动力作用过程中也会产生内部的解体。因此,传统的只针对某一指定潜在破坏面进行的顺层边坡地震动力稳定性分析,只能计算出边坡沿着该指定破坏面破坏的情况下的稳定性,但这不能完整的表达边坡的实际动力稳定性。为此,设计了一种新的顺层节理岩体边坡动力稳定性判定方法,采用两个基本参数进行破坏判别：①边坡内部形成首条贯通破坏面所需的地震动力输入强度；②首条贯通破坏面所围破坏区域大小。该判定方法既可以判断边坡的动力稳定性,又可以判断边坡失稳后破坏范围的大小。在地震动力破坏过程中,逆层节理岩体高边坡主要产生倾倒破坏,内部层面主要产生剪切破坏和张拉破坏,以剪切破坏为主,张拉破坏所占比例很小,并且均集中于逆层边坡坡体顶部位置。坡顶岩层主要产生沿正交次级节理的张拉破坏,形成转动位移,产生宏观的倾倒；而坡底的正交次级节理既会产生张拉破坏,也会产生剪切破坏,坡底岩层产生的转动位移很小,而滑动位移趋势明显。非贯通层面部分的强度和层面贯通率对逆层边坡地震动力稳定性的影响十分明显,而贯通层面部分的抗剪强度的影响较小。非贯通正交次级节理强度、贯通正交次级节理抗剪强度、正交次级节理间距叁个参数均会对边坡地震动力稳定性产生一定的影响,但影响的程度十分有限。在地震动力作用下逆层边坡坡顶岩层内的正交次级节理首先产生张拉破坏,使顶部岩体产生倾倒趋势,然后才是边坡底部岩层内部的正交次级节理产生剪切破坏和张拉破坏,使底部岩体形成贯通破坏面,产生滑动位移。而对逆层边坡的传统静力学分析认为在静力条件下,边坡底部岩体首先产生破坏,导致上覆岩体失去支撑形成倾倒破坏。这一破坏顺序的差别充分反映出了正交次级节理的存在对边坡地震动力破坏过程的影响,并体现出了逆层边坡静力破坏与动力破坏过程的区别。在地震动力破坏过程中,近水平层状节理岩体边坡内部岩体产生了大量的渐进式破坏,其中包含了张拉破坏和剪切破坏,以张拉破坏为主。岩体首先产生大量的近竖直方向延伸的宏观张拉裂缝,随着这些裂缝数量的增加和密度的增大,相互连接形成宏观的剪切破坏面,构成了圆弧状的破坏面。随着正交次级节理强度的提升,边坡的地震动力稳定性相应提升。边坡表层破碎岩体的厚度在很大程度上控制着边坡产生整体破坏的破坏范围,随着厚度的增大,破坏范围相应增大。贯通层面抗剪强度对边坡地震动力稳定性、动力破坏过程的影响非常小。随着层面倾角的变化,边坡逐渐从顺层缓倾过渡到逆层缓倾,在相同地震强度作用下边坡地震永久位移随着倾角的减小逐渐减小,并呈现近似指数关系。因此,在进行近水平层状节理岩体边坡地震动力稳定性分析过程中,无法找出一个固定的永久位移阀值,来统一判断不同倾角边坡的临界失稳状态。选取在5.12汶川地震中产生破坏的四川省北川县孙家园滑坡为计算实例,建立其FLAC/PFC2D耦合模型进行地震动力破坏过程数值模拟。模拟结果显示,孙家园滑坡在汶川地震作用下,先后经历岩体内部破损、边坡局部崩滑、边坡大面积失稳、破坏体解体形成岩石碎屑流、沿山体高速运移刮铲山体表层破损岩体、减速堆积堵塞河道几个阶段。计算结果与实际情况符合程度较高。
张占荣[6]2010年在《裂隙岩体变形特性研究》文中认为本文在岩石力学试验和工程地质勘察成果的基础上,应用数理统计方法,研究了裂隙岩体变形参数的确定方法,同时从开挖损伤效应、结构效应和尺寸效应出发,结合概率统计、智能反演分析和回归分析等方法,系统探讨了裂隙岩体变形特性的影响因素,主要研究工作有：(1)广泛搜集国内大型水利水电工程现场试验数据,结合地质勘察资料及室内试验数据,参照国标《工程岩体分级标准》得到了岩体变形模量-岩体基本质量指标(Em-BQ)的对应关系；结合数理统计原理,通过相关性分析,建立了基于BQ指标的岩体变形模量估算的经验方法,误差评价表明该方法具有一定的应用和参考价值；进一步结合实测数据,引入岩体状态因子M,建立了通过BQ指标、岩块弹性模量估算岩体变形模量经验方法,应用于叁峡工程岩体力学参数的估计,所得结果与现场岩体力学试验数据比较吻合。这些研究为通过BQ指标估算裂隙岩体变形模量提供了条合理的量化途径。(2)结合正交试验设计、支持向量机模型、粒子群优化算法等原理,建立了考虑开挖损伤效应的LSSVM-PSO位移反分析模型；以大岗山、溪洛渡水电站地下厂房为例,结合开挖损伤区测试成果,针对现场变形监测成果进行了位移反演分析,得到了损伤区范围与弱化程度；进一步围绕岩体开挖损伤效应,展开了多个工程对比分析,揭示了地质结构对岩体开挖损伤效应的影响；对比分析表明：①岩体完整性越好,则开挖损伤区范围越小,岩体力学参数弱化程度较大；②有断层岩脉切割地下洞室时,岩体损伤区的范围会相应变大；③损伤区范围与弱化程度大致呈反比关系,随着厂房向下开挖,损伤区内岩体变形参数弱化程度不断增加。(3)根据规则节理岩体变形模量的理论计算公式,在考虑岩体结构面参数概率分布特征基础上,结合变形等效原则,推导了随机节理岩体变形模量的理论计算公式；结合半球形展示图,可对节理岩体变形模量进行叁维空间全方位展示；在工程地质调查和岩石力学试验基础上,应用此方法,研究了叁峡工程裂隙岩体变形参数的结构效应,与已有研究成果对比表明,此方法计算精度较好、计算过程简便,还可以全方位展示裂隙岩体变形参数的各向异性特征。(4)在大量现场试验数据基础上,通过随机分布函数检验确定了岩体变形模量的概率分布类型,建立不同尺度的随机数值分析模型,研究大岗山水电站岩体变形模量的REV及其随尺度的变化特征；进一步通过多尺度方法,包括室内试验、现场变形试验、声波测试、数值分析、反演分析等方法,确定了不同尺度裂隙岩体的变形参数,通过拟合回归分析,得到大岗山水电站岩体宏观力学参数及其REV尺度；最后,对裂隙岩体变形模量尺寸效应的产生机理进行了探讨,表明结构面的切割是造成裂隙岩体变形参数尺寸效应的内在原因,随着岩体试验尺度的增大,试验结果会受到更大尺度结构面的影响,从而导致了裂隙岩体等效变形模量随着岩体尺度增加而出现有规律的降低现象。
田治金[7]2009年在《喀斯特环境下层状岩体物理力学参数取值研究》文中指出喀斯特层状岩体物理力学参数取值合理与否,不仅关系到工程的安全性和经济性,而且是目前岩土工程勘察设计的重点和难点之一。本文针对贵州普遍存在的喀斯特层状岩体,总体遵循“地质调查—取样试验—理论研究—数值模拟”的技术路线,系统研究了喀斯特层状岩体物理力学参数取值方法,取得以下结论和认识。(1)碳酸盐岩的溶解度随岩石中方解石含量的增加而提高,随白云岩含量的增加而减少,即CaO含量与MgO含量比值越大,岩石越易溶解,喀斯特也较发育。根据地层单元中碳酸盐岩层与非碳酸盐岩层之间的组合关系和厚度比例关系,可将碳酸盐岩层组分为连续状碳酸盐岩系、互层状碳酸盐岩系和夹层状碳酸盐岩系3种类型。(2)在Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则的基础上,介绍了根据岩石单轴抗压强度预测各向同性岩体、含一组结构面及含两组结构面岩体强度预测公式;在工程岩体分类标准的基础上,介绍了由工程岩体分类预测岩体综合抗剪强度公式和岩体变形参数计算公式。(3)通过对碳酸盐岩的基本物理力学参数取值的研究,主要介绍碳酸盐岩的重度、孔隙性、吸水性、饱水性、渗透性等的测试方法;介绍了基本力学参数单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、叁轴抗压强度等的测试方法;介绍了变形参数主要有变形模量和泊松比的测试方法。(4)应用FLAC~(3D)软件模拟岩体叁轴压缩试验,用应变控制试验测定岩体抗剪强度参数,用应力控制试验测定岩体的变形参数。然后在层状岩体模型上“溶蚀”一定体积的溶孔,得到含有溶孔的均质岩体模型,同时考虑岩体的喀斯特发育情况,用FLAC~(3D)数值软件计算得出了喀斯特层状岩体力学参数。(5)通过某算例,对隧道穿越的不同岩层通过室内试验和原位试验测定了软弱岩体泥岩和泥质白云岩的抗剪强度,测定了岩层面和节理面的抗剪强度;用RMR指标预测了岩体的变形模量;用Hoek-Brown强度理论预测了岩体单轴抗拉、抗压强度及岩体潜在破坏面的抗剪强度。本论文通过理论分析、数值模拟和工程实例,较系统地研究了喀斯特环境下层状岩体物理力学参数取值方法。这些成果对喀斯特地区工程建设中的岩体物理力学参数取值具有一定的参考价值。
范雷[8]2009年在《鄂西志留系裂隙砂岩岩体结构特征及其力学参数研究》文中指出裂隙岩体是坝基、边坡、地下硐室等岩体工程中广泛遇到的一类复杂介质，它的变形、强度和地下水渗透性等力学特性将直接影响到各类岩体工程的设计与施工，以及工程运营期间的长期稳定性。而工程岩体又是工程地区地质体的组成部分，它存在于一定地质环境中，其形成和发展经过地质历史时期内各种外动力地质作用的改造和影响。因此岩体受各种结构面切割而具有一定的结构特征，并表现出强烈的非均质性、不连续性以及各向异性。岩体的变形、破坏等力学性状也受到岩体结构特征的制约。传统的均质、连续、各向同性的力学分析方法不再适用于裂隙岩体的评判。对岩体结构条件进行定量化研究，在考虑其结构特征的基础上研究其变形及破坏特性，是岩体力学的一个重要研究课题。岩体内部的结构面的产状、分布常常决定着整个岩体的力学特性。岩体的失稳和破坏最终都是通过岩体内部这些裂隙的张开、闭合和扩展进而形成的贯通破裂面所引起的。因此，从岩体中结构面分布状况入手进行研究，才能获得对裂隙岩体变形和强度特性的正确认识。在野外结构面测量的基础上，利用Monte-Carlo原理计算机再现岩体结构面网络，可以使模拟结果与岩体结构面实际分布在统计规律上一致，从而可以建立岩体结构模型，为进一步研究岩体的力学特性提供依据。由于裂隙岩体中结构面的大量存在，很难通过原位实验或室内实验确定岩体宏观力学参数。近年来，随着断裂理论、损伤理论、分形几何、模糊数学等非线性科学的发展，国内外专家学者提出了多种模型来估算岩体宏观力学参数。但岩体在不同应力状态下裂隙间的相互作用原理，复杂应力状态下裂隙岩体的变形及强度特征等仍是理论研究的难点，至今还没有很好地解决。随着数值模拟技术的日益强大，综合现场地质调查、结构面统计、室内小试件试验成果，模拟岩体裂隙，研究不同尺度的“岩体试件”力学行为的数值试验研究方法近来发展迅速，为探讨分析裂隙岩体力学特性、破坏机理及合理确定岩体的宏观力学参数开辟了一条新的途径。由于裂隙岩体的强度、变形及稳定性主要受结构面控制，因而对结构面的模拟成为这些数值分析方法的关键。基于牛顿运动第二定律的离散单元法是一种适于分析裂隙密集的岩体或离散体的力学行为的数值方法，可以较好的研究岩体等非连续介质的力学行为。但是，目前对它的研究还只是在探讨和实践阶段，还需要不断的应用、比较和改进。鄂西恩施地区属云贵高原的东延部分，地近四川盆地边缘，处于我国地形第二阶梯末端的大陆地形坡降带上，岩石边坡通常处于复杂的地质环境并具有复杂的地质结构。鄂西志留系砂岩在各种内外地质营力作用下，岩石结构构造易破坏，因而砂岩岩层中构造裂隙、节理发育密集。砂岩地层一旦出露地表，在外力的触发下岩体易产生变形破坏，引发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。本课题在系统科学方法论的指导下，采用现场调研、工程地质分析、统计分析、室内试验、力学计算、计算机模拟相结合的综合研究方法，分析鄂西志留系砂岩结构面的地质历史成因、随机分布规律，概化建立典型砂岩岩体结构模型，采用计算机数值模拟方法对不同结构特征的裂隙砂岩进行不同尺度的数值试验，寻求鄂西志留系裂隙砂岩的变形特征及破坏模式，合理确定砂岩岩体变形参数及强度参数，指导工程实践。因而论文主要完成了下几个方面的工作：(1)裂隙砂岩岩体结构特征研究。鄂西恩施地区构造体系是经过印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动长期演化发展而成的，志留系砂岩岩层先后经过N-S向压应力、N-S向扭动、NW-SE向压应力和E-S向压应力作用后，产生了以NW、NE、NNW与NEE向为优势方位的结构面。各组优势结构面倾向均服从正态分布，倾角除第叁组服从负指数分布外，其它叁组均服从对数正态分布，半迹长和隙宽一般服从负指数分布。在砂岩层面和随机分布结构面的互相交错切割下，裂隙砂岩岩体结构模型可概化为层状岩体结构，双组贯通裂隙岩体结构和耦合随机分布裂隙岩体结构叁类模型。(2)通过砂岩室内试验，获取岩块弹性模量与泊松比分别为7．4GPa和0．25(均值)，抗剪强度参数内摩擦角为42．3°，内聚力为12．9MPa。(3)砂岩结构面本构模型及其力学参数研究。采用幂函数模型可较好的反映结构面闭合变形特性。对于法向循环加载试验，则提出了直线-圆弧型本构方程，分别用直线和圆弧线来拟合砂岩结构面的加载曲线和卸载曲线，以描述结构面法向循环加载过程中的回滞特性和整体现硬化特性。此外，还提出了半对数函数型式剪切变形本构模型反映结构面剪切变形特性。在中低法向应力作用下，采用物理意义明确的叁参数Mohr-Coulomb抗剪强度准则即可较好的表示结构面抗剪强度特性。(4)砂岩岩块和结构面离散元数值试验研究。通过对砂岩岩块和结构面数值拟合试验，证明岩块数值压缩试验结果和结构面直剪数值试验结果与室内实物试验结果是一致的，说明采用离散单元数值试验方法研究岩体的力学行为是可靠的。(5)裂隙砂岩岩体变形特性及其变形参数研究。裂隙砂岩受压变形特性及等效变形参数与岩体结构模型、不同组系结构面间的交切情况、分析域的尺寸大小、岩块和结构面的变形参数等因素有关。层状砂岩宏观等效变形模量为3．91GPa～7．36GPa，等效泊松比为0．13～0．34；双组贯通裂隙砂岩宏观等效变形模量为3．25GPa～4．86GPa，等效泊松比为0．12～0．34；耦合随机分布裂隙砂岩宏观等效变形模量为1．68GPa～2．75GPa，等效泊松比为0．18～0．29。并且，层状砂岩和双组贯通裂隙砂岩变形参数关于层面方向和层面法向方向对称，而耦合随机分布裂隙砂岩变形参数仅关于层面方向对称。其中，层状砂岩等效变形参数的各向异性最明显，尺寸效应最不明显，耦合随机分布裂隙砂岩等效变形参数各向异性最不明显，尺寸效应最明显，双组贯通裂隙砂岩等效变形参数的各向异性和尺寸效应介于两者之间。(6)裂隙砂岩岩体破坏模式及其强度参数研究。裂隙砂岩受压破坏特征及其抗剪强度参数与岩体结构模型、不同组系结构面间的交切情况、分析域的尺寸大小、岩块和结构面的变形参数等因素有关。随着裂隙砂岩所含结构面的逐渐增加，岩体的抗剪强度参数逐渐减小。并且岩体所含结构面数量越多，其强度参数的各向异性越不明显，但其尺寸效应则越明显。层状砂岩内摩擦角为29．7°～42．3°，平均值为38．6°，内聚力为0．1～12．9MPa，平均值为7．2MPa；双组贯通裂隙砂岩内摩擦角为29．5°～42．1°，平均值为35°，内聚力为0．2～12．6MPa，平均值为6．1MPa；耦合随机分布裂隙砂岩内摩擦角为28．3°～38．1°，平均值为32．5°，内聚力为0．2～13．5 MPa，平均值为2．65MPa。层状砂岩的破坏模式与主应力方向密切相关，随着主应力方向与层面夹角的增大，岩体将产生叁种不同的破坏模式：岩块材料的剪切破坏、岩块材料的剪切破坏联合沿层面的滑动破坏和沿层面的滑动破坏。对于双组贯通裂隙砂岩，当主应力与层面平行或夹角较小时，岩体产生由岩块材料的屈服而导致的整体破坏；当主应力与层面夹角逐渐增大时，岩体的破坏模式将转变为局部岩石块体的剪切屈服联合陡倾结构面形成贯通的联合破坏面的破坏模式；当主应力与层面夹角增大到45°到60°左右时，岩体以沿结构面的错动破坏为主。耦合随机分布裂隙砂岩的破坏路径不但与主应力方向有关，而且还与围压的大小、岩体模型的大小有关，但其最易发生破坏的路径为与最大主应力夹角在30°～45°之间的裂隙或岩块组成联合破坏面。(7)关于非贯通裂隙对砂岩岩体力学参数影响的探讨研究。对于应力状态较低的浅表岩体工程，岩体内部与主应力方向夹角较小的非贯通裂隙对岩体变形参数的影响是可以忽略的，对于与主应力方向夹角较大的非贯通裂隙则应根据实际工程对岩体整体变形的要求来考虑其对岩体变形参数的影响。但是，随着岩体非贯通裂隙的扩展开裂，其所需施加在岩体上的竖向压力越来越大，因此工程岩体应力水平较低时，在最大主应力增大到导致其中非贯通裂隙扩展开裂之前，岩体己经可能沿其包含的贯通裂隙组合而成的联通路径发生破坏。此时，非贯通裂隙对岩体破坏影响不大，岩体破坏主要受贯通裂隙的控制，非贯通裂隙对岩体强度的影响可以忽略不计。
张志刚[9]2007年在《节理岩体强度确定方法及其各向异性特征研究》文中研究说明节理岩体强度对岩体工程的设计、稳定性评价及数值计算等方面均有着显着的影响，同时，它的准确确定又是岩体工程研究中所面临的最大难题之一。尽管国内外学者从经验总结、理论推导、现场试验、模型试验及数值模拟等多个角度均有过详细研究，但是应用现有的各种计算方法对复杂节理岩体的强度确定结果仍不太理想，目前还难以达到对工程岩体强度的准确把握。本论文首先在总结国内外各种经验确定节理岩体强度方法的基础上，改进了基于岩体分类的经验强度确定方法，并提出对完整标准岩石试件强度进行“尺寸效应”与“节理化”折减确定不同尺度工程岩体强度的方法(二次强度折减法)，且应用具有原位试验的岩体工程实例进行了验证分析。其次，在对工程岩体结构特征详细分析后，引入优势节理组、节理平均间距与节理等效连通率叁个参数，建立了理想岩体结构的地质模型。通过对完整岩石及含节理试件的室内试验结果分别进行相应的叁维PFC(颗粒流的细观离散元)数值拟合试验，获得了岩石与节理数值预测试验的细观参数，并应用相对大尺寸的节理试进行了验证试验，从而利用细观参数建立的“数值模拟试验机”，实现了对黄山隧道与金川边坡两个典型工程岩体强度参数的确定。另外，本文应用一种全新的基于细观参数的数值试验方法，研究了宏观节理岩体强度的各向异性特征，针对含不同分离度的单一节理、单组节理、两组节理及叁组节理的岩石试件分有限定围压与无限定围压两种情形进行了数值试验研究，不仅发现以往节理岩体强度各向异性在理论或经验认识上的一些不足，而且还得出许多其它有价值的结论。主要结论有以下几点：(1)节理条数及组数的增加会导致岩体强度降低，并且强度降低值不是一个恒定值，而是随节理倾角而改变的，表现为各向异性特征；同时，节理岩体的强度并不能应用单节理或单组节理按简单迭加原理取最小值的方法进行确定；(2)除了节理的几何分布外，节理岩体强度的各向异性特征还主要取决于限定围压(应力环境)和节理分离度(贯通及断续状况)；(3)与单轴压缩作用下单一或单组的贯通节理岩体相比，断续节理岩体的最不利倾角有所降低，表现出类似于有限定围压作用时贯通的单一或单组节理岩体的各向异性特征。
冯君[10]2005年在《顺层岩质边坡开挖稳定性及其支护措施研究》文中认为论文以渝怀铁路顺层岩质边坡为工程背景,采用多种手段和方法,对顺层岩质边坡的变形破坏机理、稳定性评价及其支护措施等方面进行了系统研究与分析。 (1)以大量顺层岩质边坡典型工点的实例调查资料为基础,主要依据层状岩体的岩性组合类型,将顺层岩质边坡分为五大类,分别阐述了各类边坡的工程地质特征。 (2)对影响顺层岩质边坡稳定性的主要因素及其变形破坏模式进行了研究总结。影响因素大体上分为地质因素、工程因素以及其它因素。变形破坏模式主要包括滑移—拉裂、滑移—压致拉裂、滑移—弯曲、弯曲—拉裂、塑流—拉裂、滑劈破坏、顺层滑移等七种。 (3)以有限元计算和模型试验为手段对同向层状岩质边坡的开挖变形规律同边坡走向与岩层走向夹角的关系作了较为详细的研究。研究结果表明:对于单面临空和双面临空的同向层状岩质边坡,当边坡走向和岩层走向夹角分别大于40°和60°以后,均基本上不用考虑顺层现象对边坡稳定性的影响,即此时可将该边坡视为非顺层岩质边坡。 (4)针对工程中常见的滑移—拉裂破坏模式顺层岩质边坡,考虑层面抗剪强度参数随卸荷及风化程度降低的情况,推导出顺层岩质边坡顺层滑动范围的计算公式。针对滑移—弯曲破坏型顺层岩质边坡,将其视为弹塑性板翘曲问题,同时考虑了边坡长度以及岩体塑性对其稳定性的影响,推导了相应稳定性计算公式。 (5)讨论了边坡的开挖卸荷效应。对应于边坡开挖卸荷的空间效应,提出可根据开挖后边坡岩体的位移分区和节理裂隙扩展情况,在开挖后形成的边坡中划分出开挖松动区、轻微扰动区和原岩应力区叁个区域。 (6)基于边坡开挖卸荷效应的研究成果,给出了用于分析人工开挖边坡稳定性的强度折减法,即:首先根据边坡的开挖方式,按开挖卸荷程度对边坡岩体进行分区(即开挖扰动区的分区),然后分区选择卸荷岩体力学参数,即考虑开挖扰动区(主要考虑开挖松动区)内岩体力学参数的弱化,最后在此基础上使用强度折减法计算边坡的安全系数及其潜在滑面。 (7)给出了考虑开挖卸荷效应的边坡稳定性分析基本方法,即:1)确定初始工程地质条件;2)选择初始岩体力学参数并建立相应的初始地质概
参考文献：
[1]. 层状岩体宏观力学参数的计算机模拟试验[D]. 郭志华. 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）. 2004
[2]. 层状复合岩体宏观力学参数的计算机模拟试验[J]. 郭志华, 盛谦, 梅松华, 冷先伦. 岩石力学与工程学报. 2004
[3]. 层状复合岩石试样力学特性单轴压缩试验与颗粒流模拟研究[D]. 殷鹏飞. 中国矿业大学. 2016
[4]. 层状岩体力学参数的状态相关性研究[D]. 伍东卫. 长沙理工大学. 2013
[5]. 层状节理岩体高边坡地震动力破坏机理研究[D]. 李祥龙. 中国地质大学. 2013
[6]. 裂隙岩体变形特性研究[D]. 张占荣. 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）. 2010
[7]. 喀斯特环境下层状岩体物理力学参数取值研究[D]. 田治金. 贵州大学. 2009
[8]. 鄂西志留系裂隙砂岩岩体结构特征及其力学参数研究[D]. 范雷. 中国地质大学. 2009
[9]. 节理岩体强度确定方法及其各向异性特征研究[D]. 张志刚. 北京交通大学. 2007
[10]. 顺层岩质边坡开挖稳定性及其支护措施研究[D]. 冯君. 西南交通大学. 2005
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