节理岩体变形与强度特征的三维数值模拟

摘要

岩体是隧道、国防、矿山建设、水利枢纽等大型复杂结构工程的重要基础，岩体中广泛存在规模不等、产状不同、性质各异的节理面，节理面的存在不仅破坏了岩体的整体性，而且直接影响岩体的变形和强度特征及破坏方式。节理岩体的变形和强度特征对岩体工程的设计、稳定性评价及数值计算等方面均有着显著的影响。 本论文的研究思路是：将节理岩体的力学特征研究与三维数值模拟方法相结合，首先对节理岩体的变形和强度特征进行理论研究，然后通过计算机对节理岩体进行数值模拟，得出不同组构下节理岩体的强度、变形和破坏模式，分析节理对岩体力学特征的影响。 本文的主要工作包括以下内容： （1）在大量采集相关资料的基础上，分别对岩石、节理面、节理岩体的变形特征和强度特征进行研究。 （2）详细介绍了颗粒流数值方法的基本原理、颗粒流数值方法在岩土工程中的应用现状及颗粒流数值模型的建立过程，并应用PFC软件内置的fish语言编程拟合室内岩石试验的结果。 （3）针对不同节理组构岩体的强度特征、变形破坏机理、各向异性特征在理论研究中的不足，应用PFC数值试验代替室内试验，对含不同分离度的单一节理、单组节理及两组节理的岩石试件进行数值试验研究。 研究表明，工程岩体中的节理面对岩体的力学特征起着决定性的作用，节理的存在不仅降低了岩体的强度，削弱节理岩体的变形能力，而且使岩体的力学特征呈现出显著各向异性。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 问题的提出及研究的意义

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 节理岩体变形和强度特征的国内外研究现状

1.2.2 节理岩体各向异性的国内外研究现状

1.2.3 节理岩体数值模拟方法的国内外研究现状

1.3 研究中存在的主要问题

1.4 本文的研究内容

2 节理岩体变形与强度特征分析

2.1 概述

2.2 变形特征

2.2.1 岩石的变形特征

2.2.2 节理面的变形特征

2.2.3 节理岩体的变形特征

2.3 强度特征

2.3.1 岩石的强度特征

2.3.2 节理面的强度特征

2.3.3 节理岩体的强度特征

2.3 节理岩体变形与强度特征的研究方法

2.3.1 节理岩体的理论研究方法

2.3.2 节理岩体的室内外试验方法

2.3.3 节理岩体的经验研究方法

2.3.4 节理岩体的数值模拟方法

2.5 本章小结

3 颗粒流数值试验方法及其实施

3.1 概述

3.2 颗粒流方法的基本原理

3.2.1 力与位移定律

3.2.2 运动定律

3.2.3 接触(Contact)本构关系

3.3 颗粒流数值方法在岩土工程中的应用现状

3.4 颗粒流数值试验模型建立的过程分析

3.4.1 颗粒集合体的生成

3.4.2 初始条件

3.4.3 边界条件

3.4.4 锁定力(Locked—in Force)

3.4.5 载荷

3.5 用颗粒流数值方法拟合室内岩石试验

3.6 本章小结

4 单节理岩体变形与强度特征数值试验分析

4.1 概述

4.2 节理岩体的强度特征

4.2.1 贯通节理岩体强度特征

4.2.2 节理面性质对节理岩体强度特征的影响

4.2.3 节理数对节理岩体强度特征的影响

4.2.4 节理密度对节理岩体强度特征的影响

4.2.5 断续节理岩体强度特征

4.3 节理岩体变形特征

4.3.1 完整岩体与节理岩体变形特征比较

4.3.2 不同倾角节理岩体的变形特征比较

4.3.3 贯通节理岩体与断续节理岩体变形特征比较

4.3.4 单节理岩体与单组节理岩体变形特征比较

4.4 节理岩体破坏特征

4.4.1 试件破坏情况

4.4.2 颗粒位移情况

4.4.3 裂纹情况

4.4.4 试件破坏后颗粒间接触情况

4.5 本章小结

5 两组节理岩体变形与强度特征数值试验分析

5.1 概述

5.2 两组节理岩体强度特征

5.2.1 斜交型两组贯通节理岩体强度特征

5.2.2 正交型两组贯通节理岩体强度特征

5.2.3 两组断续节理岩体强度特征

5.2.4 一组贯通一组断续节理岩体强度特征

5.3 两组节理岩体变形特征

5.3.1 不同倾角的斜交型两组贯通节理岩体变形特征比较

5.3.2 不同倾角的正交型两组贯通节理岩体变形特征比较

5.3.3 不同分离度的斜交型两组节理岩体变形特征比较

5.3.4 不同分离度的正交型两组节理岩体变形特征比较

5.4 两组贯通节理岩体破坏特征

5.4.1 斜交型两组贯通节理岩体破坏特征

5.4.2 正交型两组贯通节理岩体破坏特征

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 问题、对策和展望

参考文献

作者简历