恒法向刚度条件下岩石多节理结构剪切力学特性研究

论文摘要

岩体稳定问题关系到所有岩石工程施工、运行的安全和效益,包括矿山资源开采、交通运输、水利水电、国防工程等重要基础工业内容。以工程岩体的结构性考虑岩石工程稳定,涉及对岩石工程稳定问题认识的基本观念和处理方法,特别对于深部岩石工程更是如此,大量的工程实践表明岩体发生破坏失稳时,往往是岩石沿着其节理结构面发生了剪切滑移,且在这一过程中岩石材料本身并没有发生破坏。对于深部地下工程而言,如矿山巷道周边岩体在受到剪切荷载作用下沿着弱面发生剪切滑移时,由于围岩的限制而不能自由剪胀,作用在岩体上的法向荷载将持续增大,但此时作用于岩体边界(围岩)上的刚度保持不变,即岩体处于恒定法向刚度(Constant Normal Stiffness,CNS)边界条件下。因此,研究恒定法向刚度条件下地下工程围岩结构面的剪切力学效应对于围岩的稳定性控制,具有重要的理论价值和现实意义。本文在国家自然科学基金重点项目(深部开采与巷道围岩结构稳定控制信息化基础理论,51734009)以及国家重点研发计划项目(2017YFC0603001)的资助下,采用国际先进的日本长崎大学工学部的最新研制的伺服控制CNS剪切仪,通过对243块不同节理结构的相似材料试件在恒定法向刚度及最大剪切位移(2 cm)条件下“岩石的单节理、双节理、多节理、岩石单节理的各向异性以及循环荷载条件下非充填/充填岩石节理试件的剪切试验”和理论分析与PFC数值模拟系统深入的研究,取得了以下主要成果:(1)采用物理模型试验的方法系统研究了恒定法向刚度条件下岩石JRC对节理剪切力学效应敏感性的影响因素,获得了边界条件和法向刚度对岩石节理剪切力学效应的变化规律,随着JRC的增大试件的抗剪性能得到明显提升,恒定法向应力和法向刚度条件下岩石节理的剪切行为存在明显差异,且这种差异主要体现在剪切的峰后阶段;岩石节理的剪切行为对法向刚度的变化感应灵敏,法向刚度的增大会提升试件的剪切应力、法向应力,并进一步限制节理剪胀。(2)理论分析获得了关键大起伏倾角与法向位移、剪切前后的质量损失相关的演变规律,深入探讨了节理表面粗糙度和节理表面的各向异性问题,研究发现当采用关键大起伏倾角对节理表面粗糙度进行评价时,往往会过高地估计剪切应力、法向位移以及法向应力等力学行为。这是因为关键大起伏倾角处虽然是控制岩石节理剪切最关键的位置,但明显要高于节理表面的平均起伏角。(3)试验研究揭示了循环荷载和恒定法向刚度条件下非充填/充填岩石节理试件的剪切力学效应,深入分析了初始法向应力、法向刚度和剪切速率对试件剪应力、法向应力以及法向位移等剪切参数的影响变化规律,基于试验结果的回归分析,提出了用于评价非充填/充填岩石节理剪应力、法向应力以及法向位移的试验变化规律。(4)在上述模型试验的研究基础上,着重分析了试件剪切应力、法向应力以及法向位移的演化过程,阐明了恒定法向刚度条件下岩石平行多节理的剪切效应;并采用二值化的方法定量描述了节理表面的破坏模式。在多节理类岩石试件剪切试验中,探究了JRC、节理数量以及节理间距等因素对试件剪切效应的影响,并基于试验结果提出了用于预测多节理摩擦系数的回归函数。(5)根据上述试验研究,选择PFC颗粒流细观模拟软件并对其进行二次开发,进一步实现了对岩石随机多节理的剪切力学效应的研究。通过自主编写的PFC程序,实现了恒定法向刚度边界条件、粗糙节理导入以及剪切过程中节理的循环赋予等过程,分析了节理表面粗糙度(JRC)、初始法向应力、法向刚度、剪切速率以及岩石随机多节理对试件剪应力、法向应力、法向位移以及破坏模式的影响变化规律。该论文有图118幅,表10个,参考文献154篇。

论文目录

致谢

摘要

abstract

变量注释表

1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 现有研究存在的问题

1.4 研究内容、方法及技术路线

1.5 主要创新点

2 恒定法向刚度条件下岩石单节理剪切力学特性研究

2.1 引言

2.2 室内试验设计

2.3 岩石单节理剪切效应

2.4 本章小节

3 恒定法向应力和恒定法向刚度条件下岩石节理剪切方向性研究

3.1 引言

3.2 试验方法

3.3 节理面粗糙度与剪切方向性对岩石节理法向位移的影响

3.4 节理面粗糙度与剪切方向性对岩石节理剪应力和法向应力的影响

3.5 关键大起伏倾角对岩石节理法向位移的影响

3.6 节理面破坏模式研究

3.7 本章小结

4 恒定法向刚度条件下岩石节理循环剪切模型试验研究

4.1 引言

4.2 试验方法

n0)对岩石节理剪切效应的影响'> 4.3 初始法向应力(σ_n0)对岩石节理剪切效应的影响

n）对岩石节理试样剪切效应的影响'> 4.4 法向刚度（k_n）对岩石节理试样剪切效应的影响

4.5 剪切速率（v）对岩石节理剪切效应的影响

4.6 数学模型的建立

4.7 本章小结

5 恒定法向刚度条件下岩石平行多节理剪切力学特性研究

5.1 引言

5.2 恒定法向刚度条件下岩石双节理剪切效应研究

5.3 节理数量对恒定法向刚度条件下岩石试件剪切效应影响研究

5.4 节理间距对恒定法向刚度条件下岩石试件剪切效应影响研究

5.5 本章小结

6 恒定法向刚度条件下岩石随机节理网络剪切力学特性数值模拟研究

6.1 引言

6.2 岩石规则锯齿型节理力学机制分析

6.3 岩石单节理数值模型的建立

6.4 岩石单节理剪切数值计算方案

6.5 岩石单节理数值计算结果分析

6.6 岩石随机节理网络数值计算结果分析

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要研究成果

7.2 进一步的研究工作

参考文献

作者简历

学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 韩观胜

导师: 靖洪文

关键词: 恒法向刚度,岩石工程,多节理结构,直剪试验,力学特性

来源: 中国矿业大学

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: 中国矿业大学

基金: 国家自然科学基金重点项目,51734009,深部开采与巷道围岩结构稳定控制信息化基础理论,国家重点研发计划项目(2017YFC0603001)

分类号: TU45

DOI: 10.27623/d.cnki.gzkyu.2019.000414

总页数: 173

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恒法向刚度条件下岩石多节理结构剪切力学特性研究

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