柱状节理岩体荷载分布解与各向异性岩石力学抗剪强度准则研究

摘要

由于岩体中广泛发育复杂不连续结构面，故岩石力学行为较一般均质、连续、各向同性材料的力学行为复杂，表现为各向异性、不连续和非均质等。柱状节理岩体作为一类特殊的结构性岩体，其各向异性效应显著。本文以白鹤滩水电站工程中实际存在的工程问题为背景，探讨柱状节理各向异性产生的机理和柱状节理加载过程中节理面破坏规律。 (1)简述了柱状节理地质成因，认为白鹤滩坝址区柱状节理的地质成因是冷却收缩说，并以此为基础，建立了本文柱状节理的六棱柱力学模型。基于界面元理论，建立六棱柱力学模型广义变分条件下的能量变分方程。根据模型的的几何信息，边界条件和加荷模式等，求解得到模型各向异性荷载分布的基本表达式。在此基础上，讨论了分布解在不同外载条件下的分布特性。结合工程实际，分析得到三类高径比下柱状节理的分布解特性。 (2)分析微结构张量组合加载主轴作为一个参数改进的M-C理论中各个参数对归一化强度的影响。将该理论与Jaeger抗剪强度准则结合，推导了广义条件下的抗剪强度准则。将模型简化为双节理模型，得到双节理模型的抗剪强度准则，应用起伏角理论修正得到六棱柱模型的抗剪强度准则。将改进后的抗剪强度准则与经典的M-C抗剪强度准则和Jaeger抗剪强度准则进行比较分析，得出了微结构张量影响系数同外载荷之间的关系，并进行参数敏感性分析。 (3)在FLAC中建立白鹤滩工程三维数值模型，将本文改进的基于微结构张量理论的改进的岩石力学抗剪强度准则应用到分析中。比较分析了模型中柱状节理层采用各向同性弹塑性材料与各向异性弹塑性材料情况下，大坝蓄水工况下的应力场，位移场及塑性区等数值计算结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景及意义

1.2岩体力学的主要研究方法

1.2.1实验方法

1.2.2解析方法

1.2.3岩体力学数值模拟方法

1.3岩体各向异性研究进展

1.3.1各向异性本构模型研究

1.3.2基于连学介质力学的本构模型方法

1.3.3各向异性理论的进展和应用

1.4柱状节理地质成因及基本特性

1.4.1冷却收缩说

1.4.2引张-旋扭成因模式

1.4.3双扩散-对流作用说

1.4.4冷却中心形成的动力学特征

1.5本文的主要研究内容

第2章基于界面元理论柱状节理岩体荷载分布解

2.1引言

2.2六棱柱物理模型

2.2.1白鹤滩水电站坝址区柱状节理特性

2.2.2冷却收缩说下六棱柱模型

2.3界面元方法的弹性理论

2.3.1界面元离散模型的虚功表达式

2.3.2界面元界面应力处理

2.4六棱柱模型的力学模型

2.4.1基本力学方程

2.4.2边界条件

2.5六棱柱力学模型的求解

2.6六棱柱力学模型解的讨论

2.6.1模型参数

2.6.2横观各向同性条件的载荷分布

2.7本章小结

第3章微结构张量理论改进柱状节理岩体抗剪强度准则研究

3.1引言

3.2微结构张量理论

3.2.1基于微结构张量的各向异性失效准则

3.2.2 Mohr-Coulomb准则下的实例分析

3.3剪切强度理论

3.3.1起伏角理论

3.3.2 Jaeger负指数剪切强度公式

3.4微结构张量及各向异性强度准则基本理论

3.4.1多组节理分布下的节理面力学性质

3.4.2强度准则

3.5柱状节理等效抗剪强度准则

3.5.1六棱柱柱状节理简化

3.5.2两组平衡节理下的微结构张量的剪切强度准则

3.6实例验证

3.6.1模型参数

3.6.2参数分析

3.7本章小结

第4章白鹤滩水电站柱状节理岩体坝基数值分析

4.1工程概况

4.2参数值

4.3数值计算

4.3.1数值计算模型

4.3.2计算结果分析

4.4本章小结

第5章结论与展望

5.1本文结论

5.2未来工作展望

参考文献

个人简历及攻读硕士期间参与的科研项目

致谢