基于PFC的填充节理剪切特性数值试验研究

摘要

节理的存在破坏了岩体的完整性，影响着岩体的力学性质，而对于张开的节理面往往会聚集一定的填充物，使得岩体的力学性质更为复杂。本文利用离散元软件PFC，系统地开展了填充节理剪切特性的数值试验研究。分别从填充度、填充物质、节理面形态三个方面对节理剪切强度、裂纹发育、破坏模式、剪胀效应进行了分析，可为填充节理室内物理试验和建立剪切强度理论模型提供参考与依据。主要成果如下： (1)通过单轴压缩模拟试验，分析了岩石PFC标定过程中宏细观参数之间的定性关系，得出了标定过程中调节细观参数的先后顺序，为平行粘结半径、平行粘结强度、平行粘结刚度。 (2)针对规则锯齿形节理面形态，定义了填充度怕（t为填充厚度，a为节理齿高）来反映填充物厚度，分析了填充度对填充节理剪切特性的影响，结果表明：随着填充度的增大，抗剪强度呈现非线性降低趋势：破坏模式由节理面剪切破坏(t/a=0、0.5)逐渐向填充物滑移磨损破坏（t/a=1、1．5、2）转变；剪胀效应逐渐减弱。 (3)不同填充度下无粘性填充物内摩擦角增大均能使节理抗剪强度增大；剪胀效应在填充度小于1时随着填充物内摩擦角的变化不明显，在填充度大于或等于1时随着填充物内摩擦角的增大逐渐增强；剪切过程中产生的裂纹数量与填充物内摩擦角无关，节理面的破损程度与填充物内摩擦角无关。 (4)无粘性填充物颗粒粒径对填充节理剪切特性在填充度大于或等于1时有较大影响；抗剪强度以填充物粒径0.5mm为界先增大后减小；剪胀效应随着填充物粒径的增大而增强；填充物粒径越大，剪切过程中岩石-填充物-岩石相互作用越强，节理面产生裂纹相对越多。在填充度小于1时，填充物颗粒粒径的变化对填充节理剪切特性无影响。 (5)由节理齿宽与齿高增加引起的起伏角增大对填充节理的抗剪强度及破坏模式在填充厚度较小时有相同的影响规律；随着节理起伏角的增大，填充节理抗剪强度逐渐增大；剪切过程中产生的裂纹数量越来越多；破坏模式由滑移磨损破坏逐渐向剪切破坏转变。而剪胀效应则不同；由节理齿宽增加引起的起伏角增大时的剪胀效应由强变弱，由节理齿高增加引起的起伏角增大时的剪胀效应由弱变强。在填充厚度较大时，填充节理的剪切特性不再受到节理面形态的影响。

目录

声明

1 绪论

1.2.1物理试验研究现状

1.2.2数值模拟研究现状

1.2.3剪切强度公式研究现状

1.3当前研究主要存在的问题

1.4本文主要研究内容与技术路线

1.4.2技术路线

2基于PFC的岩石宏细观参数关系研究

2.1PFC基本理论与基本方程

2.2PFC接触本构模型对比分析

2.2.2摩擦模型

2.2.3粘结模型

2.2.4三种接触模型对比分析

2.3标定的方法与意义

2.4颗粒接触参数对岩石宏观参数影响研究

2.4.1平行粘结刚度的影响

2.4.2平行粘结强度的影响

2.4.3平行粘结半径的影响

2.4.4摩擦系数的影响

2.5本章小结

3填充度对填充节理剪切特性的影响规律研究

3.1.2直剪数值试样模型的建立

3.1.3剪切过程中速度边界条件的实现

3.2试验方案分析

3.3对剪应力一位移曲线及抗剪强度的影响

3.4对剪胀效应的影响

3.5对颗粒接触力的影响

3.6对岩石裂纹的影响

3.7本章小结

4填充物质对填充节理剪切特性的影响规律研究

4.2填充物内摩擦角对节理剪切特性的影响

4.2.1对剪应力-位移曲线及抗剪强度的影响

4.2.2对剪胀效应的影响

4.2.3对岩石裂纹的影响

4.3填充物颗粒粒径对节理直剪特性的影响

4.3.1对剪应力-位移曲线及抗剪强度的影响

4.3.2对剪胀效应的影响

4.3.3对岩石裂纹的影响

4.4本章小结

5节理面形态对填充节理剪切特性的影响规律研究

5.1试验方案分析

5.2 节理齿宽引起的起伏角改变对节理剪切特性的影响

5.2.1对剪应力-位移曲线及抗剪强度的影响

5.2.2对岩石裂纹的影响及破坏模式分析

5.2.3对剪胀效应的影响

5.3节理齿高引起的起伏角改变对节理剪切特性的影响

5.3.1对剪应力-位移曲线及抗剪强度的影响

5.3.2对岩石裂纹的影响及破坏模式分析

5.3.3对剪胀效应的影响

5.4节理齿宽与齿高引起的剪胀效应对比分析

5.5本章小结

6 结论与展望

6.2展望

致谢

参考文献