节理岩体正交各向异性等效力学参数与屈服准则研究及其工程应用

摘要

节理岩体中通常包含大量分布复杂、尺度各异的结构面，这些结构面的存在决定了岩体在力学性质上的非线性、非均匀性、非连续性、各向异性及有条件转化性。岩体的上述特性使得岩体参数的取值具有高度的复杂性，在实际岩体工程分析中，通常需要抓住影响岩体变形与破坏的主要因素，通过一定的科学方法得到能够反映岩体力学性质的等效参数。 本文的主要研究内容是综合利用现场岩体地质勘察资料、裂隙统计资料、现场岩体试验成果、室内岩块试验成果及裂隙网络模拟技术，确定宏观岩体正交各向异性等效变形参数和抗剪强度参数，并建立正交各向异性屈服准则，通过对FLAC3D软件的二次开发，按正交各向异性材料对岩体工程进行数值模拟分析。论文的主要研究工作与研究成果归纳如下： (1)对岩体工程数值分析方法、岩体等效参数取值方法和裂隙网络模拟技术及各向异性屈服准则的基本理论方法和研究现状进行了概述，并对当前研究中存在的主要难点进行了分析评价，在此基础上，提出了本文的研究重点和研究方法。 (2)在研究空间有限面域、有限线段和空间点的相互位置关系及其判断准则的基础上，提出了利用平面四边形模拟岩体结构面，生成三维随机裂隙网络的方法；利用岩体模型中结构面面积矢量的概念，提出以结构面面积矢量在三个相互垂直截面上的投影面积与岩体体积之比作为岩体REV尺度指标，并得出了岩体REV尺度约为各组结构面中最大迹长期望值的3～4倍的结论。 (3)根据岩体结构面变形特点，提出了考虑初始应力状态及结构面力学参数影响的结构面法向位移本构关系；利用等效连续应变理论得到岩体在不同方向上的等效应变，再根据正交各向异性弹性本构模型将一般各向异性变形等效为正交各向异性变形，确定其相应的等效变形参数。为了求解由正交各向异性本构关系建立的带约束条件的矛盾方程组，利用最小二乘法的基本思想，提出了“区间枚举法”来求解弹性变形等效参数的最优解。 (4)利用损伤力学理论，研究了包含多组裂隙时岩体的损伤变量计算方法，然后以损伤变量作为加权系数，以岩块强度参数和结构面强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数，得到岩体在空间各方向上的等效粘聚力和摩擦系数。将岩体等效抗剪强度参数的空间变化轨迹拟合为正交各向异性强度参数，得到等效强度参数的空间变化轨迹方程(为空间椭球面方程)。 (5)将岩体等效粘聚力和摩擦系数的空间变化轨迹方程引入Mohr-coulomb屈服准则中，建立起正交各向异性屈服准则。理论分析和算例验证表明，正交各向异性屈服准则是与3个主应力均有关的屈服准则，各向异性材料最可能发生剪切屈服的截面不一定就是最大剪应力面，各向同性屈服准则只是正交各向异性屈服准则的一个特例。由于正交各向异性屈服准则没有显示表达式，因此本文对其数值实现方法进行了研究。 (6)针对节理岩体中结构面数量众多，尺度各异的特点，提出按结构面尺度规模分类，在数值计算模型中对不同类型结构面采取不同的数值模拟方法，在此基础上系统总结了节理岩体工程数值分析研究的主要内容与基本程序。 (7)利用VisualFoxpro数据库语言和FALC3D中的FISH语言，开发了岩体裂隙网络模拟程序、等效参数计算程序和正交各向异性屈服分析程序，并开发了裂隙网络与等效强度参数计算成果的图形输出接口程序。 (8)利用本文的研究成果，对三峡永久船闸高边坡工程进行了正交各向异性数值模拟分析，验证了程序的正确性，对正交各向异性与传统各向同性计算成果对比分析表明，考虑岩体在变形和剪切屈服方面的各向异性更符合岩体实际情况。针对边坡岩体存在明显开挖卸荷效应的情况，提出了以边坡岩体开挖后的第一应力不变量与开挖前第一应力不变量比值作为衡量岩体卸荷程度的指标，并利用船闸边坡岩体实测卸荷区分布图，验证了这一指标的合理性。

目录

文摘

英文文摘

前言

学位论文独创性声明及学位论文使用授权说明

第一章绪论

第二章节理岩体裂隙网络模拟技术及岩体REV尺度研究

第三章岩体正交各向异性等效变形参数研究

第四章岩体正交各向异性等效强度参数研究

第五章正交各向异性剪切屈服准则研究

第六章节理岩体结构面模拟方法及数值分析基本程序探讨

第七章三峡永久船闸高边坡正交各向异性数值模拟分析

第八章结论与展望

参考文献

个人简历和攻读博士学位期间发表的论文

致谢