發(fā)布時間：2018-04-08 11:58

  本文選題：非連續(xù)結(jié)構(gòu)面　切入點(diǎn)：多維力傳感器　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：巖體的破壞是巖體結(jié)構(gòu)面臨界狀態(tài)的過渡,對于如滑坡這樣的災(zāi)害地質(zhì)體,它的破壞過程也取決于結(jié)構(gòu)面破壞狀態(tài)的發(fā)展�！傲孔兪琴|(zhì)變的前提和必要準(zhǔn)備,質(zhì)變是量變的必然結(jié)果”,地質(zhì)災(zāi)害體滑動這一質(zhì)變過程必然來自其結(jié)構(gòu)面局部破壞過程的積累和準(zhǔn)備。而結(jié)構(gòu)面的非連續(xù)分布是其普遍特征,這與傳統(tǒng)力學(xué)模型中的均一化本構(gòu)模型存在差異,采用傳統(tǒng)力學(xué)模型難以描述具有非連續(xù)結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)面的完整的演化過程,因此有必要從試驗(yàn)手段和試驗(yàn)方法方面探索研究非連續(xù)分布結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面的新方向。 從試驗(yàn)手段來講,當(dāng)要研究的結(jié)構(gòu)面的非連續(xù)分布的尺度較大時,應(yīng)設(shè)法創(chuàng)造出一種實(shí)驗(yàn)條件,能夠詳盡的觀察或測量到一個或若干個非連續(xù)結(jié)構(gòu)的演變過程。而傳感器技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)能夠提供在一個測量面上同時測量二維(甚至六維)方向力的傳感器,可以在這個測量面上直接測量到摩擦系數(shù),如果將這樣的傳感器排列成一個測力矩陣,那么一個剪切面就被分隔成若干個小的剪切面,并且每個剪切面法向力和剪切力可以同時測量到,這樣一個剪切面單元的受力情況就可以完成獨(dú)立的測量。 本研究從剪切力學(xué)參數(shù)的量測方式入手,通過建立一個由多維應(yīng)力傳感器組成的測量矩陣,形成一種可以觀察剪切面局部剪切力變化的試驗(yàn)手段,并在此基礎(chǔ)上研究非連續(xù)分布結(jié)構(gòu)面在剪切過程中,不同結(jié)構(gòu)面區(qū)域間的應(yīng)力分配關(guān)系,觀察結(jié)構(gòu)面破壞過程的應(yīng)力應(yīng)變過程。同時結(jié)合顆粒流模擬結(jié)果,建立非連續(xù)分布結(jié)構(gòu)面的剪切破壞過程的理論模型。 和巖體結(jié)構(gòu)一樣,巖體結(jié)構(gòu)面的規(guī)模大小差別很大,不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)面的延伸范圍、厚度、分布規(guī)律都存在著巨大的差異。如果從工程尺度這個角度出發(fā),一般需要研究探索的巖體結(jié)構(gòu)面都應(yīng)是Ⅱ級和Ⅲ級結(jié)構(gòu)面。針對這樣規(guī)模的結(jié)構(gòu)面,許多研究是將結(jié)構(gòu)面局部化、均質(zhì)化,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面力學(xué)性能及變形性能的研究。目前結(jié)構(gòu)面力學(xué)模型針對結(jié)構(gòu)面表面粗糙狀態(tài)進(jìn)行了概化或統(tǒng)計(jì),并在此基礎(chǔ)上考慮不同因素的影響建立了巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)變形模型。千將坪滑坡是一個典型巖質(zhì)滑坡,發(fā)生滑動的主滑面屬于Ⅱ類結(jié)構(gòu)面,滑動前結(jié)構(gòu)面夾層物質(zhì)的組成、厚度以及含水狀態(tài)都存在巨大差異,其差異性并不能完全用連續(xù)力學(xué)模型概括。其滑帶結(jié)構(gòu)面的非連續(xù)包括(1)滑帶泥化層厚度的非均勻分布。平硐頂端結(jié)露的長度近20米S6層間剪切錯動泥化帶,厚度范圍20～50cm,統(tǒng)計(jì)平均厚度為12.74cm,厚度變化標(biāo)準(zhǔn)差為10.67cm,標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值達(dá)到0.838；(2)滑帶的物質(zhì)組成的非均勻分布。S6泥化層有兩種泥物質(zhì)組成,一種是灰黑色粘土,一種是黃褐色粉質(zhì)粘土,兩種泥化物的力學(xué)參數(shù)差異較大,兩種泥化物或獨(dú)立存在,或相互交錯,多數(shù)情況下可以區(qū)分出兩者的區(qū)域及邊界；(3)結(jié)構(gòu)面干濕狀態(tài)的非連續(xù)分布。結(jié)構(gòu)面附近的含水狀態(tài)差別很大,與數(shù)值模擬研究滑坡機(jī)理時假定的結(jié)構(gòu)面含水狀態(tài)均勻一致存在較大差別。 依據(jù)對典型滑坡地質(zhì)體中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)面的觀察和分析,將工程巖體中控制性結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu)概化為兩個具有一定粗糙或起伏的接觸面之間有填充夾層的結(jié)構(gòu)面模型,并將結(jié)構(gòu)面的起伏度、夾層厚度、夾層物質(zhì)組成作為反映結(jié)構(gòu)面非連續(xù)特征的特征參量,研究這些特征參量對結(jié)構(gòu)面抗剪力學(xué)性能的影響。研究巖土材料包括結(jié)構(gòu)面的抗剪力學(xué)性能,主要采用的是直剪儀,傳統(tǒng)的直剪儀是通過上下剪切盒的相對錯動來實(shí)現(xiàn)對試樣的剪切作用,一次剪切試驗(yàn)形成一個剪切面并只能測量這個剪切面的法向力和切向力,對于剪切面內(nèi)部的應(yīng)力分布是無法探知的。而多維力傳感器可以同時測量其受力端三維方向的受力,將多個多維力傳感器組裝成一個受力矩陣,并把這個受力矩陣作為結(jié)構(gòu)面中一個巖體界面,就可以實(shí)現(xiàn)在一次剪切過程中對剪切面的不同局部位置的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測量。本章采用6個smart300-5000-2多維力傳感器,smart300-5000-2多維力傳感器采用的是E型膜結(jié)構(gòu)作為受力彈性體結(jié)構(gòu),傳感器兩個水平向的測力量程為±2500N,垂直向測力量程為±5000N。根據(jù)smart300-5000-2多維力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以及在一個剪切面內(nèi)測量局部剪切應(yīng)力的應(yīng)用要求,需要將smart300-5000-2多維力傳感器的受力面板排列成一個完整的受力平面,并把這個平面作為模擬巖體結(jié)構(gòu)面的一個接觸面。試驗(yàn)中將多維力傳感器排列成6×1的受力矩陣。為了構(gòu)建一個較大的剪切平面,將組裝好的受力矩陣固定在1.2米x0.5米的鋼結(jié)構(gòu)支架上,然后在受力矩陣周圍砌筑混凝土,混凝土表面與受力表面齊平,這樣混凝土表面與受力矩陣平面共同組成了一個面積為1.2米x0.5米剪切平面。 利用多維力測力平臺研究結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,包括法向壓縮過程中的法向應(yīng)力與法向應(yīng)變的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和剪切過程中的剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系。研究表明法向壓縮過程中,法向應(yīng)力在不同區(qū)域內(nèi)會因?yàn)閵A層材料的變形剛度差異形成不均勻的分配關(guān)系,試驗(yàn)驗(yàn)證了對這種分配關(guān)系的理論推導(dǎo)。 在剪切過程中的剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系時,通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在剪切過程中盡管總的結(jié)構(gòu)面平面內(nèi)法向力保持穩(wěn)定,局部單元上依然反映出較為顯著的法向應(yīng)力調(diào)整,各個測力單元上測到的局部法向力會出現(xiàn)成對的法向力變化,與力學(xué)中的力偶概念相似,因此稱之為局部法向應(yīng)力的“力偶變化現(xiàn)象”。其大體有以下幾個特征：(1)出現(xiàn)力偶變化現(xiàn)象通常是法向力增加的單元在順剪切方向上先出現(xiàn),法向力減少的單元后出現(xiàn)：(2)出現(xiàn)力耦變化現(xiàn)象的單元可能相鄰,但通常不是相鄰單元,而是會出現(xiàn)一個間隔單元,間隔單元上測量的法向力與其他單元一樣保持穩(wěn)定：(3)出現(xiàn)力偶變化的單元并不是固定的單元。根據(jù)這一現(xiàn)象的特征,結(jié)合多相流擴(kuò)散模型,該現(xiàn)象可以解釋為當(dāng)剪切過程開始后,夾層材料會在剪切作用下產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面的運(yùn)動。但是結(jié)構(gòu)面每處夾層物質(zhì)遷移的數(shù)量和速度存在差異,因而導(dǎo)致在某些局部,夾層物質(zhì)會增多,產(chǎn)生擠脹,使局部法向力增加；相對應(yīng)的部分區(qū)域的夾層物質(zhì)減少,形成塌縮,導(dǎo)致局部法向應(yīng)力降低。 在剪切試驗(yàn)中,研究了起伏角以及夾層材料物質(zhì)組成對剪切力學(xué)過程的影響。對比起伏角分別為60°、45。、30°時各傳感器測得的法向-切向分力關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)起伏角越大,傳感器測得的法向-切向分力關(guān)系圖出現(xiàn)橫向變化的點(diǎn)增多,法向力的變化范圍也增大,表明起伏角的增加會增加局部單元法向應(yīng)力調(diào)整的幾率。 在研究夾層物質(zhì)對結(jié)構(gòu)剪切力學(xué)性能影響機(jī)制的試驗(yàn)中,調(diào)整夾層材料碎石含量為20%、40%、60%和80%,對比剪切試驗(yàn)成果可以得出以下結(jié)論：(1)隨著碎石含量的增多切向應(yīng)力變化范圍明顯增大；(2)隨著碎石含量的增多出現(xiàn)法向應(yīng)力調(diào)整的單元增多,應(yīng)力調(diào)整的范圍增大；(3)碎石含量較大時,一些單元上法向應(yīng)力與切向應(yīng)力的關(guān)系表現(xiàn)接近于摩爾庫倫定律。根據(jù)對軟弱結(jié)構(gòu)面主要結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)研究,選取其中對其剪切力學(xué)特性影響較顯著的特征結(jié)構(gòu)因素,將軟弱結(jié)構(gòu)面概化成包括上下巖體結(jié)構(gòu)和中間軟弱夾層結(jié)構(gòu),上下巖體與軟弱夾層的接觸面的粗糙結(jié)構(gòu)概化為有一定傾斜角度(結(jié)構(gòu)面起伏角)、有一定高度的鋸齒狀結(jié)構(gòu),軟弱夾層填充上下巖體接觸面之間的空間。采用PFC2D(Particle Flow Code in2Dimensions)顆粒流程序建立具有粗糙結(jié)構(gòu)的軟弱結(jié)構(gòu)面的顆粒離散元模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)面剪切過程的模擬。PFC2D以圓形(圓碟)作為最基本的顆粒單元,通過構(gòu)建由大量圓形顆粒組成的顆粒集模型并模擬圓碟的運(yùn)動及其相互作用來模擬宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)過程。在顆粒單元的基礎(chǔ)上,通過循環(huán)的運(yùn)動.力學(xué)計(jì)算具有復(fù)雜變形模式的實(shí)際問題。 采用PFC2D建立的結(jié)構(gòu)面模型在兩個結(jié)構(gòu)要素上有變化。一是起伏角是在同一寬度范圍內(nèi)布置不同鋸齒齒數(shù)1齒、2齒、3齒、4齒、5齒和6齒,對應(yīng)起伏角3.2°、6.3°、9.5°、12.5°、15.5°和18.4°；另一個是夾層厚度,分別取0.6倍齒高、1.0倍齒高、1.5倍齒高、2.0倍齒高和2.5倍齒高作為夾層厚度。 剪切模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示夾層厚度為0.6倍齒高、1倍齒高和1.5倍齒高時,具有不同結(jié)構(gòu)面起伏角的結(jié)構(gòu)面的綜合剪切強(qiáng)度差異較大,而夾層厚度為2倍齒高以及2.5倍齒高時,不同結(jié)構(gòu)起伏角的結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度較為接近,表明當(dāng)夾層厚度小于1.5倍齒高時,結(jié)構(gòu)面表面起伏結(jié)構(gòu)才會對剪切強(qiáng)度產(chǎn)生影響,且結(jié)構(gòu)面起伏角較小時,剪切強(qiáng)度較小,結(jié)構(gòu)面起伏角較大時,剪切強(qiáng)度較大。如果夾層厚度大于2倍齒高,結(jié)構(gòu)面的綜合抗剪強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面起伏結(jié)構(gòu)無顯著關(guān)系,并且結(jié)構(gòu)面的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)與夾層材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)較為一致,表明當(dāng)夾層厚度超過一定厚度,結(jié)構(gòu)面的整體抗剪強(qiáng)度受夾層材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的控制。 分析模擬試樣剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)法向荷載較大時,結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度由峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度的應(yīng)力跌落絕對值可能有一定的增加,但應(yīng)力跌落比值卻是普遍減小了。聯(lián)系到大型滑坡的啟動過程也是其滑帶結(jié)構(gòu)面剪切破壞過程,那么當(dāng)滑坡啟動后,滑帶抗剪強(qiáng)度跌落越大,意味著滑坡體最終釋放的滑動能力越大,其成災(zāi)的可能性越大。由此可以推論,對于大型滑坡,滑坡體的厚度可能是決定滑坡體是否成為致災(zāi)體的關(guān)鍵因素； 研究法向位移和剪切位移之間的關(guān)系,同樣發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面剪脹變形率(由剪脹角反映)的變化與夾層厚度有關(guān)。當(dāng)夾層厚度小于一定厚度,結(jié)構(gòu)面的起伏結(jié)構(gòu)對剪脹角產(chǎn)生影響,其閥值也大體為1.5倍結(jié)構(gòu)面平均起伏高度。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1721505