柱状节理岩体的相似材料模型试验与数值模拟研究

摘要

岩体是一种具有不连续性、非均质性、各向异性和非线性的天然地质体，内部富含微裂纹、孔隙、节理、断层等不连续面，这些不连续面对岩体的应力空间分布和破坏模式有着重要的影响;其中，柱状节理岩体内节理、裂隙发育异常，其力学性质尤为特殊。现今，西南许多水电站揭露出大量柱状节理岩体，开挖时极易发生松弛和开裂，柱状节理岩体的工程力学性质越来越受到水利工程的重视。本文基于室内相似材料模型试验和数值模拟方法相结合来研究柱状节理岩体的的破坏机理、变形强度特性及力学参数等。本文的内容主要集中在如下的几个方面:
　　(1)根据相似原理理论与柱状节理玄武岩结构特征和力学性质，推导出模型试验的各参数相似比。基于相似材料的研究现状及优缺点，选择合适的相似材料来模拟玄武岩脆性岩石。制定配比方案，经过力学性能测试，选择出一种与玄武岩的物理力学参数接近的最佳配比，为后续制作节理模型试件。
　　(2)制作无柱状节理、不同柱体形状、不同节理倾角的尺寸为100mm×100mm×100mm的模型试件，对其进行单轴压缩试验，分析柱状节理、柱体形状、节理倾角对试件力学性质的影响。总结出柱状节理试件的变形、强度、破坏机制、节理破坏形式等规律。
　　(3)利用离散元3DEC软件对不同节理倾角的相似材料模型试件进行单轴压缩数值模拟，并与模型试验的变形、强度、破坏模式、应力-应变曲线等进行对比分析，验证室内试验的结论，并总结柱状节理岩体的力学性质规律。
　　(4)采用非连续介质力学方法的数值计算分析，以白鹤滩水电站导流洞为工程实例，研究柱状节理洞室的开挖卸荷破坏机制。分析柱状节理围岩卸荷下的“应力-岩体结构”控制型破坏特征和各向异性松弛变形机制，并对左岸导流洞顶拱坍塌、边墙柱状节理破裂松弛坍塌等现象进行解释说明。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 模型试验基本原理及试验准备

2．1 相似理论

2．1．1 模型的相似关系

2．1．2 岩体相似模型应满足的相似定律

2．2 相似材料概述

2．2．1 相似材料选取原则

2．2．2 模拟岩石的相似材料现状

2．3 相似材料的研制

2．3．1 相似比的确定

2．3．2 模型材料试件的制作

2．4 模型材料配比方案及力学性能测试

2．4．1 模型材料配比方案

2．4．2 模型材料试件的力学参数测试

2．4．3 粘聚力与内摩擦角的计算

2．5 模型材料的配比方案结果及方案选择

2．5．1 玄武岩原岩物理力学性质及其单轴压缩试验

2．5．2 模型材料的配比方案结果

2．5．3 配比方案的选择

2．6 本章小结

第3章 柱状节理模型试件单轴压缩试验研究

3．1 室内试验节理的制作方式

3．2 柱状节理模型材料试件制作

3．2．1 柱状节理模具设计

3．2．2 柱状节理试件制作

3．3 柱状节理模型材料试件试验

3．3．1 不同柱体形状的模型材料试件单轴压缩试验

3．3．2 节理倾角对试件破坏模式的影响

3．4 本章小结

第4章 柱状节理模型试件的离散元数值模拟

4．1 离散元3DEC简介

4．2 节理试件离散元模型建立

4．3 相似材料模型试验与数值模拟对比分析

4．3．1 模型试件应力-应变曲线对比分析

4．3．2 柱状节理破坏分析

4．3．3 模型试件破坏模式对比分析

4．4 本章小结

第5章 柱状节理洞室围岩破坏机制研究

5．1 白鹤滩水电站工程概述

5．2 导流洞柱状节理围岩地质条件与岩石力学特性

5．2．1 白鹤滩水电站导流洞地质条件

5．2．2 柱状节理岩体力学特性与参数取值

5．2．3 地应力条件

5．3 数值计算模型

5．4 导流洞柱状节理围岩开挖响应特征

5．4．1 位移分布特征

5．4．2 应力分布特征

5．4．3 塑性区分布特征

5．4．4 柱状节理面破坏特征

5．5 导流洞柱状节理围岩破坏形成机制

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介