基于三维表面形貌参数的花岗岩节理剪切破坏基本规律的研究

摘要

本文旨在研究岩石节理在剪切破坏过程中的基本规律，重点在于建立破坏过程的力学模型，并推导节理峰值抗剪强度与节理表面形态参数的理论公式。因此，作者以黑云二长花岗岩为例，以岩石节理剪切破坏过程为研究对象，从研究闭合无填充节理的剪切特性出发，采用颗粒流数值模拟和直接剪切试验作为分析验证手段，建立包含节理表面形态参数的剪切模型;推导出节理峰值抗剪强度与节理表面形态参数的理论公式;并最终通过对岩石节理表面形貌特征变化规律的分析，对理论公式进行进一步说明与论证，建立考虑剪切破坏过程，并与节理表面形态参数相关联的岩石节理三维峰值抗剪强度公式。主要研究结果如下:
　　根据岩石节理直剪试验与颗粒流数值试验(PFC2D)结果，不同粗糙度，不同正应力条件下，闭合无填充岩石节理剪切应力-剪切位移曲线和法向位移-剪切位移曲线具有明显的差异性;因此，通过详细阐述闭合无填充花岗岩节理剪切力学行为，研究不同剪切位移下、不同正应力、粗糙度试样内部微裂纹发育特征和粒间接触力分布特征，从细观角度对节理表面凸起体破坏顺序、剪胀效应、凸起体底部“拉应力集中”这些宏观现象进行解释，是最终对节理剪切破坏过程提出合理假设的前提。
　　在对岩石节理剪切力学行为进行分析、评价，并对节理剪切破坏过程提出合理的假设前提的基础之上，作者分步建立了基于莫尔-库伦强度准则的花岗岩节理剪切破坏过程理论力学模型（从研究单个凸起体的破坏模型到分析整个节理表面的破坏模型），并对剪切破坏的整个过程进行参数化分析，最终推导出与节理表面形态参数有关的节理峰值抗剪强度理论公式。
　　在建立力学模型与理论公式基础之上，基于三维高精度激光扫描与GIS技术，作者对岩石节理表面起伏形态进行精确测定和可视化分析。一方面，明确了节理表面三维特征参数的物理力学意义，完善了重要参数的提取方法，并最终确定了反映节理剪切特性的岩石节理三维粗糙度表征参数与表征方法;另一方面，依据节理直剪试验结果，通过对节理剪切实际接触区域的确定，研究了剪切作用下岩石节理表面形貌特征变化规律，对不同正应力和不同节理表面粗糙度对节理剪切形貌特征变化的影响就行了评价。
　　最后，根据剪切作用下岩石节理表面形貌特征变化规律，作者对节理抗剪强度理论公式进行了进一步说明与论证，最终建立起既考虑剪切破坏过程又与节理表面形态参数相关联的，花岗岩节理三维峰值抗剪强度公式。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 岩石节理剪切力学行为评价方法的研究现状

1．2．2 岩石节理峰值抗剪强度公式的研究现状

1．2．3 剪切作用下岩石节理表面形貌特征变化规律的研究现状

1．3 本文研究内容与思路

第二章 闭合无填充花岗岩节理剪切力学行为的分析

2．1 岩石节理直接剪切试验

2．1．1 试验设备及试样

2．1．2 试验方法及步骤

2．2 岩石节理直接剪切数值试验

2．2．1 模型试件直剪试验设置

2．2．2 模型介质细观参数

2．3 剪切破坏过程的细观力学响应

2．4 关于节理剪切破坏的基本假设

2．5 小结

第三章 建立基于莫尔-库伦强度准则的花岗岩节理剪切破坏力学模型

3．1 节理表面单个凸起体(asperity)剪切破坏力学模型

3．1．1 关于节理表面凸起体的剪切机制的假设

3．1．2 表面凸起体剪切破坏判据

3．2 节理表面整体剪切破坏力学模型

3．2．1 有关节理剪切破坏过程的假设

3．2．2 节理峰值抗剪强度的确定

3．3 小结

第四章 剪切作用下花岗岩节理表面形貌特征变化规律研究

4．1 节理表面三维形貌可视化

4．2 基于三维特征参数的节理表面形貌特征分析

4．2．1 剪切方向上，凸起体表面有效倾斜角“i*”的计算方法

4．2．2 节理表面三维粗糙度的表征方法

4．3 剪切作用下节理表面形貌特征变化规律

4．3．1 节理剪切实际接触区域(Contact areas)的确定

4．3．2 节理剪切达到峰值抗剪强度时的接触面积比“ω”的变化规律

4．3．3 经验系数“b”的确定

4．3．4 达到峰值抗剪强度时剪切与摩擦作用投影面积“As”和“Af”的确定

4．4 达到峰值抗剪强度时，节理实际接触区域内凸起体有效倾斜角度i*的统计

4．5 小结

第五章 花岗岩节理三维峰值抗剪强度公式的提出

5．1 基于三维形貌参数的峰值抗剪强度公式的提出

5．2 对于新公式的验算

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果