非贯通节理岩体扩展贯通细观机理研究

摘要

非贯通节理岩体是岩体工程中最常见、最重要的一种地质体。非贯通节理岩体的破坏通常是由节理扩展和岩桥破坏共同组成，整体的破坏特征表现为原生节理和自节理端部扩展的岩桥破坏面所组成的复合破坏面。在外荷载作用下，岩桥靠近节理面处会产生裂纹并向岩桥内部扩展，导致力学性质弱化。岩桥力学性质的弱化，本质上是岩桥内部微元在外部荷载作用下产生破坏，在岩桥内部形成微裂隙，微裂隙逐步连通直至破坏的力学过程。 本文详细归纳了国内外关于非贯通节理岩体在理论方面、实验方面和数值模拟方面的研究成果。在前人的研究基础上本文详细介绍了离散元PFC（Particle Flow Code）颗粒流软件的理论基础，利用PFC2D5.0建立了非贯通节理岩体细观数值模型，再根据室内直剪试验剪切曲线与数值模拟试验得到剪切曲线拟合出的粘聚力和摩擦角进行比对，反复校准从而达到对细观参数标定的目的。 根据直剪试验下非贯通节理岩体宏观破坏形态以及内部的细观破裂分析，分析不同的节理连通率、不同的节理起伏角度和不同法向应力等工况下的非贯通节理岩体随剪切过程各阶段强度：初裂强度、不稳定强度、峰值强度、残余强度的发展变化规律以及非贯通节理岩体在不同法向应力下的剪胀性。 根据通过数值模拟结果得到非贯通节理岩体在不同的节理连通率、不同的节理起伏角度和不同法向应力等工况条件下剪切过程中试样裂纹的种类和分布状态，以及裂纹数目随剪切位移变化曲线。研究出不同连通率、不同形貌节理起伏角、不同法向应力工况下，非贯通节理岩体扩展贯通的细观机理。

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摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及水平

1.3 研究目的和意义

1.4 研究的主要内容与技术路线

1.4.1 研究的主要内容

1.4.2 技术路线

1.5 拟解决的主要问题

第二章 PFC细观数值模拟基础和方法

2.1 PFC细观数值模拟基础

2.1.1 力-位移方程

2.1.2 运动方程

2.2 基本单元的接触模型

2.3 数值模型中裂纹的表示

2.4 本章小结

第三章 非贯通节理岩体直剪试验

3.1 直剪试验特点

3.2 非贯通节理岩体直剪试验方案

3.2.1 非贯通节理岩体试样的方案设计

3.2.3 非贯通节理岩体试样制取

3.2.4 直剪试验仪器及加载步骤

3.4 非贯通节理岩体试验分析

3.4.1 非贯通节理岩体破坏形态分析

3.4.2非贯通节理岩体抗剪强度分析

3.5 本章小结

第四章 非贯通节理岩体细观数值模拟试验

4.1 试验模型的建立

4.1.1 接触模型的确定

4.1.2 细观参数的确定

4.1.3 数值试验的加载伺服过程

4.2 数值试验与室内直剪试验结果对比分析

4.3 数值模拟试验结果与分析

4.3.1 不同连通率的非贯通节理岩体抗剪强度分析

4.3.2 不同形貌节理起伏角的非贯通节理岩体抗剪强度分析

4.3.3 不同法向压力对非贯通节理岩体抗剪强度影响分析

4.3 本章小结

第五章 非贯通节理岩体扩展贯通细观机理分析

5.1 非贯通节理岩体剪切过程强度变化和法向变形特性

5.1.1 不同法向应力下非贯通节理岩体各阶段强度变化分析

5.1.2 不同法向应力下非贯通节理岩体剪胀性分析

5.2 不同工况下非贯通节理岩体裂纹扩展规律分析

5.2.1 剪裂面裂纹的类别与分布

5.2.2 裂纹数目随剪切过程的变化

5.3 不同节理连通率下非贯通节理岩体细观力学特性分析

5.3.1 岩桥强度随剪切过程的变化分析

5.3.2 粒间接触力随剪切过程的变化分析

5.4 本章小结

第六章 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致 谢

参考文献