横观各向同性岩体巴西劈裂试验理论及工程应用研究

摘要

在岩质边坡工程中，由于存在大量的层理、断层和节理等不连续的结构面，岩体拉伸断裂失稳较一般边坡复杂。目前，岩石抗拉强度的室内测定方法一般采用直接拉伸法和劈裂法。岩石试件拉伸试验中，由于夹持及保证拉伸荷载轴线与试样轴线重合具有一定困难，采用直接拉伸方法进行岩石抗拉强度测试相对较少，而更为普遍的是采用劈裂法（即巴西试验法）间接测定岩石的抗拉强度。本课题结合国家自然科学基金(50878213)、湖南省交通科技项目(200924)和湖南省研究生创新项目(CX2012B057)，依托怀化至通道（怀通）高速公路工程，以板岩为研究对象，巴西劈裂试验为手段，结合理论分析方法，展开了横观各向同性岩体弹性参数、抗拉强度、破坏准则、本构关系和边坡拉裂破坏及稳定性分析几个方面的研究。其主要成果如下:
　　1)在矿物成份分析的基础上，利用电子显微镜观察了板岩的微观结构和胶结类型;采用单轴仪和三轴仪分别测试了不同层理角度下板岩的抗压强度和抗拉强度，得到了不同层理角度下强度的分布曲线，揭示了强度与层理角度之间的关系及产生的机理。
　　2)巴西劈裂试验为手段，测试了横观各向同性岩体的5个弹性参数，将试验测得的5个弹性参数与圣维南经验公式对比，验证了横观各向同性体5个弹性参数是相互独立，且不存在函数关系。
　　3)基于圆盘各向异性平面弹性理论，采用傅里叶级数变换，求解了平面各向异性圆盘应力场和强度因子，并推导了由5个弹性参数和层理角度组成的各向异性圆盘强度因子表达式，分析了不同参数取值对强度因子的影响，得到了强度因子随参数变化的趋势。
　　4)根据层状岩体巴西劈裂圆盘平面应力的弹性力学解析解，并结合单弱面理论和Hoek-Brown强度准则，分别建立了不同层理角度与强度关系式。劈裂试验结果和强度拟合曲线较吻合，这两种强度准则下建立的关系式可以较好地反映出在含有层理面时巴西劈裂试验抗拉强度随结构面倾角变化的规律。探讨了横观各向同性岩体劈裂试验的几种破坏模式，即当0°≤β＜25.2°或72.6°＜β≤90°时，属于纯拉伸破坏;当25.2°≤β≤72.6°时，属于沿层面剪切破坏。
　　5)基于弹性理论，结合数值方法，研究了各向同性圆盘的厚径比、泊松比和加载角度对巴西劈裂试验的影响，比以往用弹性平面法解决圆盘应力场问题更加接近实际情况，并且得到了巴西劈裂试验圆盘合理的厚径比和加载角度。以改进的Hoek-Brown模型较好的实现了横观各向同性体破坏准则在巴西劈裂试验中的应用。
　　6)推导了滑移-拉裂和倾倒-拉裂层状岩质边坡抗滑稳定的上限解。分析了岩体重度、边坡高度和边坡坡脚对滑移-拉裂边坡稳定性的影响，得到了稳定系数随边坡参数变化的曲线。同时，探讨了倾倒-拉裂层状岩质边坡的破坏机理，分析了不同区域的稳定状态，明确了倾倒-拉裂层状岩质边坡产生的原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究目的和意义

1．2 国内外研究历史与现状

1．2．1 巴西劈裂试验研究回顾和现状

1．2．2 横观各向同性研究回顾和现状

1．2．3 层状岩质边坡拉裂破坏及稳定性分析研究回顾

1．3 论文研究的主要内容和方法

第二章 巴西劈裂法测横观各向同性体抗拉强度试验研究

2．1 引言

2．2 板岩成分及微观结构研究

2．2．1 板岩成分测试

2．2．2 内部结构分析

2．3 试验方法及试验设备

2．3．1 试验材料

2．3．2 试验设备

2．3．3 轴向压缩试验方案

2．3．4 巴西劈裂试验方案

2．4 抗压强度的各向异性

2．4．1 单轴试验

2．4．2 三轴试验

2．5 巴西劈裂法测抗拉强度

2．5．1 不同层理角度下抗拉强度

2．5．2 不同厚径比下抗拉强度

2．6 本章小结

第三章 巴西劈裂法测横观各向同性体弹性参数的研究

3．1 引言

3．2 横观各向同性体本构理论

3．2．1 连续介质应力状态

3．2．2 胡克定律

3．2．3 横观各向同性弹性体的本构关系

3．2．4 各向异性弹性常数的坐标转换

3．2．5 各向异性弹性常数的热力学约束

3．3 各向异性岩石弹性常数的测试方法

3．3．1 单轴试验

3．3．2 巴西劈裂试验

3．4 横观各向同性体弹性参数测试方法研究

3．4．1 弹性参数的变化规律

3．4．2 巴西劈裂法测5个弹性参数

3．4．3 视弹性模量和视泊松比

3．5 本章小结

第四章 巴西圆盘强度因子研究

4．1 引言

4．2 圆盘各向异性弹性理论

4．2．1 广义平面应力状态下均质板

4．2．2 应力功能函数的一般表达式

4．2．3 复杂变量的功能与平面问题的关系

4．3 傅里叶级数变换求解圆盘应力场和强度因子

4．3．1 傅里叶级数问题

4．3．2 艾丽应力场函数

4．3．3 μ1和μ2两个根

4．3．4 艾丽函数应力场

4．3．5 边界条件

4．3．6 特殊解

4．3．7 系列解决方案

4．3．8 Am和Bm矩阵

4．3．9 应力场

4．3．10 正常加载下的傅里叶系数

4．4 参数分析

4．4．1 影响强度因子的几个参数

4．4．2 轴向对称

4．4．3 强度因子中心点表达式

4．5 参数对强度因子影响

4．5．1 不同层理角度对强度因子影响

4．5．2 参数b比对强度因子计算

4．5．3 强度因子随E／E’的变化规律

4．6 本章小结

第五章 横观各向同性岩体破坏准则及破坏形式的巴西劈裂法研究

5．1 引言

5．2 单弱面理论

5．2．1 单一弱面破坏准则

5．2．2 层状岩体单一弱面抗压强度公式

5．2．3 层状岩体单一弱面抗拉强度公式

5．2．4 试验验证

5．3 Hoek-Brown强度理论

5．3．1 Hoek-Brown破坏准则

5．3．2 改进的层状岩体Hoek-Brown抗压强度经验公式

5．3．3 改进的层状岩体Hoek-Brown抗拉强度经验公式

5．3．4 试验验证

5．4 横观各向同性圆盘劈裂破坏模式

5．4．1 巴西圆盘劈裂破坏模式

5．4．2 板岩巴西圆盘劈裂破坏模式

5．5 本章小结

第六章 巴西圆盘数值分析研究

6．1 引言

6．2 巴西劈裂试验FlAC3D模拟步骤

6．2．1 模型建立

6．2．2 边界条件

6．3 本构模型

6．3．1 本构模型选取

6．3．2 弹性模型

6．3．3 Hoek-Brown屈服准则

6．3．4 材料的硬化／软化

6．4 参数选取

6．4．1 材料参数选取

6．4．2 硬化／软化参数

6．5 各向同性面数值计算结果

6．5．1 圆盘厚度的影响

6．5．2 泊松比的影响

6．5．3 加载角度的影响(2α)

6．5．4 各向同性圆盘数值结果

6．6 横观各向同性面数值计算结果

6．6．1 应力分布和破坏模式

6．6．2 破坏过程

6．6．3 试验与数值模拟破坏形式对比

6．6．4 试验与数值模拟抗拉强度对比

6．7 本章小结

第七章 层状岩质边坡拉裂破坏及稳定性研究

7．1 引言

7．2 极限分析基本原理

7．2．1 理想刚塑性体假设

7．2．2 流动法则

7．2．3 基本概念

7．2．4 基本理论

7．2．5 极限分析上、下限定理

7．3 滑移——拉裂层状岩质边坡稳定性分析

7．3．1 强度折减法

7．3．2 滑移——拉裂层状岩质边坡上限解

7．3．3 静态稳定性参数分析

7．3．4 拟静力动态稳定性参数分析

7．4 倾倒——拉裂层状岩质边坡稳定性分析

7．4．1 倾倒——拉裂层状岩质边坡上限解

7．4．2 稳定性参数分析

7．5 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和科研情况

致谢