交叉裂隙岩体力学行为特性的数值模拟研究

摘要

天然地质环境中的岩体经过复杂的地质作用，其内部存在不同分布状态的节理、裂隙、断层等，这些节理、裂隙之间的空间相对位置也呈不同分布。岩体中存在的裂隙往往呈一定角度的空间分布或交叉状态。目前，有关单裂隙岩体的研究成果较多，但针对交叉裂隙的研究较少，且交叉裂隙对岩体工程稳定影响的研究更为少见。 本文基于断裂力学最大周向应力理论，考虑闭合裂隙面之间的摩擦效应，推导出含不同角度单裂纹的岩石试样的起裂应力，利用RFPA数值试验系统对含交叉裂纹试样进行单轴及多轴数值试验，并采用强度折减法对含交叉断层的三维马蹄形隧洞进行稳定性分析。本文针对以上研究得出了一些结论： (1)从断裂力学最大周向理论出发，在含倾斜的闭合或张开裂隙的裂纹尖端应力强度因子研究的基础上，考虑闭合裂纹面摩擦效应，推导出含张开及闭合裂隙试件起裂角及起裂应力的理论解公式，最终得出含闭合裂隙试件起裂应力整体上随裂隙倾斜角度的增加呈近似“U”形变化规律。对比试验结果，二者吻合良好。 (2)利用RFPA2D有限元模拟软件，针对不同方案交叉裂隙试样进行单、双轴加载数值试验，并将模拟结果与物理试验结果进行对比分析，吻合较好。其次，讨论不同角度及围压对类岩石试样破坏模式、应力-应变曲线、峰值强度及弹性模量等力学性质的影响。基于数值模拟结果，得到不同裂隙角度对峰值强度及弹性模量影响的规律曲线。结果表明峰值强度随主裂隙与加载方向夹角α的增加总体呈“U”字形变化规律，弹性模量随α增加呈先增加后减小再增加的趋势，应力-应变曲线在围压条件与单轴加载条件下出现由脆性向峰后延性变化等规律。 (3)利用强度折减法对三轴加载的隧洞模型进行分析，研究侧压力系数及中间主应力对马蹄形隧洞稳定性及破坏模式的影响，确定最危险的三轴加载模式，并将该加载状态应用于含交叉断层的马蹄形隧洞模型中，改变断层1与水平方向夹角α及断层1与断层2夹角β，分析不同方案下交叉断层对马蹄形隧洞安全系数、破坏模式和最大主应力分布的影响，得出不同方案下隧洞模型主要包含五类破坏模式。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究意义

1.2 交叉裂隙基本概念及工程意义

1.2.1 理论分析研究

1.2.2 单一裂隙研究

1.2.3 多裂隙研究

1.3 隧洞稳定性研究现状

1.4 主要研究内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究方法

2 岩石破裂过程分析方法与软件

2.1 RFPA有限元模拟系统概述

2.2 RFPA对岩石参数的取值方法

2.3 强度折减法简介

3 裂隙岩体应力场分析与模型验证

3.1 三种基本裂纹类型

3.2 单裂隙起裂应力推导

3.3 试验验证及对比分析

3.4 本章小结

4 含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

4.1 数值模拟条件

4.2 单轴压缩模拟结果与分析

4.2.1 破坏模式分析

4.2.2 应力-应变曲线分析

4.2.3 单轴压缩力学性质分析

4.3 双轴压缩模拟结果与分析

4.3.1 破坏模式分析

4.3.2 应力-应变曲线分析

4.3.3 双轴压缩力学性质分析

4.4 三维交叉裂隙模拟研究

4.4.1 数值模拟模型及基本参数

4.4.2 破坏模式及声发射分析

4.4.3 单轴压缩力学性质分析

4.5 本章小结

5 中主应力对马蹄形隧洞稳定性影响

5.1 双剪统一强度理论

5.2 模型基本设置

5.3 物理力学参数设置

5.4 侧压力系数对隧洞失稳破坏影响

5.5 中主应力对隧洞稳定性研究

5.5.1 轴向应力为中间主应力

5.5.2 水平向为中间主应力

5.6 本章小结

6 交叉断层对隧洞稳定性影响

6.1 模型设置及模拟方案

6.2 断层角度对隧洞破坏模式的影响

6.3 断层角度对隧洞安全系数影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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