【摘 要】
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岩体工程结构的稳定性往往取决于对岩体介质力学特性的理解与把握。岩体中结构面的存在形成了岩体中复杂的结构特征,岩体的力学响应受到所包含的结构面的几何及力学特征的很大影响。正确认识裂隙岩体的力学性质,对于合理研究岩体工程的稳定性和安全性具有重要的理论及现实意义。本文以裂隙岩体为研究对象,采用颗粒流离散元方法,构建具有随机裂隙网络特征的等效岩体模型,并对其开展数值加载试验,研究裂隙岩体力学参数的结构效应
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岩体工程结构的稳定性往往取决于对岩体介质力学特性的理解与把握。岩体中结构面的存在形成了岩体中复杂的结构特征,岩体的力学响应受到所包含的结构面的几何及力学特征的很大影响。正确认识裂隙岩体的力学性质,对于合理研究岩体工程的稳定性和安全性具有重要的理论及现实意义。本文以裂隙岩体为研究对象,采用颗粒流离散元方法,构建具有随机裂隙网络特征的等效岩体模型,并对其开展数值加载试验,研究裂隙岩体力学参数的结构效应和尺寸效应,主要研究内容及成果如下:(1)建立了含一组随机裂隙的等效岩体模型,分析了裂隙密度、裂隙倾角均值、裂隙倾角分布特征、裂隙直径分布特征等结构特征对裂隙岩体力学参数的影响规律,探讨了裂隙岩体力学参数的结构效应,结果表明:裂隙密度、裂隙倾角均值对力学参数的影响较大;当裂隙倾角均值为60°时,Fisher分布常数对力学参数的影响较大,而对于其它裂隙倾角均值的情况,Fisher分布常数的影响较小;裂隙直径的幂律分布指数对力学参数的影响较小;单轴抗压强度对于离散裂隙网络几何参数的敏感性最大,弹性模量的敏感性最小。(2)表征单元体(REV)是岩体性质趋于稳定时的最小岩体尺寸。根据裂隙的地质参数,构建了包含三组裂隙、不同尺寸的裂隙网络模型,选取裂隙密度参数P32和P31来表征裂隙网络模型的结构特征,计算得到P32和P31随模型尺寸的变化规律。结果表明,P32和P31表现出明显的尺寸效应,设定变化差值率和变异系数都小于10%作为REV尺寸的量化指标,最终确定裂隙岩体的几何REV尺寸为3m×3m×6m。(3)结合裂隙网络模型和标定得到的完整岩块和裂隙的细观参数,构建了不同尺寸的等效岩体模型,对其开展了一系列单轴压缩数值试验,计算得到单轴抗压强度和弹性模量随模型尺寸的变化规律。结果表明,单轴抗压强度和弹性模量表现出明显的尺寸效应,依据相同的量化指标得到单轴抗压强度的REV尺寸为5m×5m×10m,弹性模量的REV尺寸为3m×3m×6m。(4)对不同尺寸的等效岩体模型开展不同围压条件下的三轴压缩数值试验,计算得到不同围压下峰值强度和弹性模量随模型尺寸的变化规律,并依据相同的量化指标得到各力学参数的REV尺寸。结果表明,围压的作用对裂隙岩体力学参数的尺寸效应有一定的影响,围压有弱化结构面效应的作用,在所研究的围压范围内,峰值强度和弹性模量的REV尺寸随围压的增大表现出减小的趋势。(5)保持岩块和裂隙的力学特性不变,通过改变裂隙网络的几何参数,分析裂隙密度、裂隙直径、裂隙产状分布特征对单轴抗压强度REV尺寸的影响。结果表明:随着裂隙密度P32的增大,单轴抗压强度的REV尺寸有减小的趋势;随着裂隙直径的增大,单轴抗压强度的REV尺寸逐渐增大;Fisher分布常数K的变化对单轴抗压强度REV尺寸基本没有影响。
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