本文選題：隨機(jī)節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)模型　切入點(diǎn)：等效巖體　出處：《北京科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：節(jié)理廣泛存在于巖體工程中,顯著影響巖體力學(xué)行為,使巖體表現(xiàn)出不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性等特征,同時(shí),節(jié)理也引起巖體力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)。節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,是巖體力學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以內(nèi)蒙古白云鄂博鐵礦東礦和山西平朔東露天煤礦為工程背景,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理測(cè)線法調(diào)查和室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn),基于Monte-Carlo隨機(jī)模擬原理和塊體離散元理論,采用等效巖體技術(shù),緊緊圍繞節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì),從靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面展開研究,為巖體工程穩(wěn)定性和安全性評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ),更好地服務(wù)于快速發(fā)展的巖石工程建設(shè)。1)節(jié)理巖體靜力學(xué)性質(zhì)研究采用庫(kù)倫滑移節(jié)理模型,基于2個(gè)研究?jī)?nèi)容展開巖體靜力學(xué)研究：節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)與塊體離散元方法相結(jié)合,建立考慮巖石峰后力學(xué)特征的隨機(jī)節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)等效巖體計(jì)算模型；根據(jù)不同尺度等效巖體單軸和三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行巖體表征單元體(Representative Elementary Volume, REV)研究。取得的主要研究結(jié)果如下：(1)首先,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理測(cè)線法調(diào)查,確定節(jié)理地質(zhì)參數(shù)概率分布模型及參數(shù),基于Monte-Carlo隨機(jī)模擬原理獲得與現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理具有相似統(tǒng)計(jì)特性的節(jié)理地質(zhì)參數(shù)隨機(jī)數(shù)據(jù)；然后,通過(guò)FISH語(yǔ)言編程,用節(jié)理地質(zhì)參數(shù)隨機(jī)數(shù)據(jù)及貫通率確定的面切割巖石塊體產(chǎn)生多邊形節(jié)理面,生成隨機(jī)節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)模型；最后,節(jié)理采用庫(kù)倫滑移模型,巖石采用應(yīng)變軟化模型,根據(jù)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)確定模型參數(shù),在塊體離散元軟件3DEC中實(shí)現(xiàn)了考慮巖石峰后力學(xué)特征的多尺度隨機(jī)節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)等效巖體計(jì)算模型的建立。通過(guò)等效巖體單軸及三軸壓縮試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,采用該方法建立的等效巖體較好地反映了巖石彈脆性力學(xué)性質(zhì)及巖體彈塑性力學(xué)性質(zhì)。(2)通過(guò)FISH語(yǔ)言編制單軸壓縮試驗(yàn)程序,等效巖體單軸壓縮試驗(yàn)表明：等效巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為彈性-節(jié)理滑移-彈塑性-軟化-殘余強(qiáng)度5個(gè)階段；隨著等效巖體尺度增大,巖體峰值強(qiáng)度、變形模量和殘余強(qiáng)度逐漸減小,當(dāng)研究對(duì)象尺度增大到15m-20m時(shí)趨于恒定,從而得到研究對(duì)象的巖體REV及該尺度巖體單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量。(3)通過(guò)FISH語(yǔ)言編制三軸壓縮試驗(yàn)程序,等效巖體三軸壓縮試驗(yàn)表明：同一尺度巖體三軸抗壓強(qiáng)度隨著圍壓增大而增大,但增大幅度與圍壓增大幅度成非線性關(guān)系(增大幅度逐漸減小)；多尺度巖體在同一圍壓應(yīng)力下,隨著巖體尺度增大,節(jié)理增多,圍壓對(duì)巖體力學(xué)行為影響增大；巖體REV隨圍壓增大表現(xiàn)出減小趨勢(shì),對(duì)比單軸壓縮下,圍壓對(duì)REV影響較小。2)節(jié)理巖體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究節(jié)理庫(kù)倫滑移模型適用于節(jié)理靜力分析,然而巖體工程中的節(jié)理往往處于爆破荷載等動(dòng)力荷載作用下,動(dòng)力荷載對(duì)等效巖體REV的影響規(guī)律還未知。因此,本文針對(duì)可實(shí)現(xiàn)循環(huán)剪切加載的持續(xù)屈服節(jié)理模型,進(jìn)行了基礎(chǔ)研究,為等效巖體動(dòng)力學(xué)參數(shù)REV研究以及巖體動(dòng)力學(xué)反應(yīng)分析奠定基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容包括：確定持續(xù)屈服節(jié)理模型力學(xué)參數(shù)、節(jié)理法向循環(huán)加卸載力學(xué)性質(zhì)研究、節(jié)理循環(huán)剪切力學(xué)性質(zhì)研究。取得的研究結(jié)果如下：(1)根據(jù)室內(nèi)節(jié)理力學(xué)試驗(yàn),建立持續(xù)屈服節(jié)理模型力學(xué)參數(shù)確定方法。采用持續(xù)屈服節(jié)理模型,進(jìn)行節(jié)理直剪試驗(yàn),得到剪切應(yīng)力-位移曲線,該曲線包括非線性上升-峰值-軟化-殘余應(yīng)力4個(gè)階段。室內(nèi)與數(shù)值試驗(yàn)對(duì)比表明：持續(xù)屈服節(jié)理模型能較好地反映節(jié)理剪切峰值強(qiáng)度及峰值強(qiáng)度前剪切應(yīng)力與剪切變形的非線性關(guān)系,且能較好地反映峰值強(qiáng)度后節(jié)理應(yīng)變軟化及殘余強(qiáng)度等節(jié)理力學(xué)性質(zhì)。(2)對(duì)節(jié)理面粗糙度、節(jié)理初始摩擦角與基本摩擦角差值等參數(shù)進(jìn)行參數(shù)研究。研究表明：①在切向剛度相同條件下,粗糙度對(duì)剪切應(yīng)力影響主要集中在峰值強(qiáng)度-應(yīng)變軟化-殘余強(qiáng)度階段,隨著粗糙度增大,剪切峰值強(qiáng)度呈冪函數(shù)增大。②節(jié)理剪切峰值強(qiáng)度與初始摩擦角、基本摩擦角的差值線性相關(guān)；隨著摩擦角差值增大,剪切應(yīng)力-位移曲線應(yīng)變軟化階段坡度變陡。(3)從節(jié)理法向循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到節(jié)理法向應(yīng)力-閉合量曲線,分別采用半對(duì)數(shù)本構(gòu)方程和雙曲線本構(gòu)方程表征該曲線,并確定2種節(jié)理法向剛度方程,首次將基于雙曲線本構(gòu)方程確定的剛度方程引入持續(xù)屈服節(jié)理模型中,編寫節(jié)理法向循環(huán)加卸載程序,首次實(shí)現(xiàn)基于節(jié)理非線性本構(gòu)法向循環(huán)加卸載數(shù)值模擬。通過(guò)與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比,該數(shù)值模擬方法行之有效。2種方法確定的節(jié)理法向剛度,在節(jié)理法向循環(huán)加卸載試驗(yàn)中隨法向應(yīng)力總體變化趨勢(shì)基本一致。每次加卸載循環(huán),都存在滯回環(huán)和能量耗散；隨著循環(huán)次數(shù)增加,滯回環(huán)面積減少,節(jié)理能量耗散減小。(4)基于持續(xù)屈服節(jié)理模型,實(shí)現(xiàn)不同法向應(yīng)力和不同剪切位移下節(jié)理循環(huán)剪切試驗(yàn)。研究循環(huán)剪切次數(shù)、法向應(yīng)力以及循環(huán)剪切位移對(duì)節(jié)理循環(huán)剪切特征力學(xué)參數(shù)(循環(huán)剪切強(qiáng)度、動(dòng)剪切模量以及滯回環(huán)面積)的影響規(guī)律,并擬合得到影響關(guān)系式。節(jié)理循環(huán)剪切滯回環(huán)曲線表明：同一法向應(yīng)力下,隨著循環(huán)剪切位移增加,滯回環(huán)面積增大(主要表現(xiàn)在滯回環(huán)寬度增加),節(jié)理耗能增大;同一循環(huán)剪切位移時(shí),隨著法向應(yīng)力增加,節(jié)理滯回環(huán)面積增大(主要表現(xiàn)在滯回環(huán)高度增加),節(jié)理耗能增大。剪切應(yīng)力峰值前,循環(huán)剪切次數(shù)和循環(huán)剪切位移值對(duì)節(jié)理剪切強(qiáng)度降低(或強(qiáng)度損傷因子增加)影響明顯；峰值后,該影響不明顯。節(jié)理動(dòng)剪切模量和滯回環(huán)面積均受循環(huán)次數(shù)影響不明顯；均受法向應(yīng)力和循環(huán)剪切應(yīng)變或循環(huán)剪切位移影響顯著。本文相應(yīng)建立循環(huán)剪切位移和法向應(yīng)力與節(jié)理循環(huán)剪切力學(xué)參數(shù)的關(guān)系。綜上,本文主要在3方面進(jìn)行了獨(dú)創(chuàng)性研究與運(yùn)用：①巖石采用應(yīng)變軟化模型,在塊體離散元軟件中建立反映巖石峰后力學(xué)特征的隨機(jī)節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)等效巖體計(jì)算模型；進(jìn)行等效巖體單軸和三軸壓縮試驗(yàn)；確定白云鄂博鐵礦東礦邊坡節(jié)理巖體REV。②建立持續(xù)屈服節(jié)理模型力學(xué)參數(shù)的確定方法；提出基于節(jié)理非線性法向變形的法向循環(huán)加卸載數(shù)值計(jì)算思路和方法,彌補(bǔ)持續(xù)屈服節(jié)理模型在表征節(jié)理法向變形特征的缺陷；將基于雙曲線本構(gòu)方程的節(jié)理剛度方程引入持續(xù)屈服節(jié)理模型進(jìn)行節(jié)理法向加卸載數(shù)值計(jì)算,改進(jìn)和發(fā)展該模型。通過(guò)與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比,該數(shù)值計(jì)算方法行之有效。③基于持續(xù)屈服節(jié)理模型,實(shí)現(xiàn)節(jié)理循環(huán)剪切數(shù)值試驗(yàn),研究循環(huán)剪切次數(shù)、法向應(yīng)力以及循環(huán)剪切位移對(duì)節(jié)理循環(huán)剪切特征力學(xué)參數(shù)(循環(huán)剪切強(qiáng)度、動(dòng)剪切模量及滯回環(huán)面積)的影響規(guī)律,提出法向應(yīng)力和循環(huán)剪切位移對(duì)節(jié)理循環(huán)剪切力學(xué)參數(shù)的影響關(guān)系式。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1569200