本文選題：非連續(xù)結構面　切入點：多維力傳感器　出處：《中國地質大學》2013年博士論文

【摘要】：巖體的破壞是巖體結構面臨界狀態(tài)的過渡,對于如滑坡這樣的災害地質體,它的破壞過程也取決于結構面破壞狀態(tài)的發(fā)展�！傲孔兪琴|變的前提和必要準備,質變是量變的必然結果”,地質災害體滑動這一質變過程必然來自其結構面局部破壞過程的積累和準備。而結構面的非連續(xù)分布是其普遍特征,這與傳統(tǒng)力學模型中的均一化本構模型存在差異,采用傳統(tǒng)力學模型難以描述具有非連續(xù)結構特征的結構面的完整的演化過程,因此有必要從試驗手段和試驗方法方面探索研究非連續(xù)分布結構結構面的新方向。 從試驗手段來講,當要研究的結構面的非連續(xù)分布的尺度較大時,應設法創(chuàng)造出一種實驗條件,能夠詳盡的觀察或測量到一個或若干個非連續(xù)結構的演變過程。而傳感器技術的發(fā)展已經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立的測量。 本研究從剪切力學參數(shù)的量測方式入手,通過建立一個由多維應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手段,并在此基礎上研究非連續(xù)分布結構面在剪切過程中,不同結構面區(qū)域間的應力分配關系,觀察結構面破壞過程的應力應變過程。同時結合顆粒流模擬結果,建立非連續(xù)分布結構面的剪切破壞過程的理論模型。 和巖體結構一樣,巖體結構面的規(guī)模大小差別很大,不同規(guī)模的結構面的延伸范圍、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構面都應是Ⅱ級和Ⅲ級結構面。針對這樣規(guī)模的結構面,許多研究是將結構面局部化、均質化,在此基礎上進行了結構面力學性能及變形性能的研究。目前結構面力學模型針對結構面表面粗糙狀態(tài)進行了概化或統(tǒng)計,并在此基礎上考慮不同因素的影響建立了巖體結構面的力學變形模型。千將坪滑坡是一個典型巖質滑坡,發(fā)生滑動的主滑面屬于Ⅱ類結構面,滑動前結構面夾層物質的組成、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)力學模型概括。其滑帶結構面的非連續(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)計平均厚度為12.74cm,厚度變化標準差為10.67cm,標準差與平均值的比值達到0.838；(2)滑帶的物質組成的非均勻分布。S6泥化層有兩種泥物質組成,一種是灰黑色粘土,一種是黃褐色粉質粘土,兩種泥化物的力學參數(shù)差異較大,兩種泥化物或獨立存在,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)結構面干濕狀態(tài)的非連續(xù)分布。結構面附近的含水狀態(tài)差別很大,與數(shù)值模擬研究滑坡機理時假定的結構面含水狀態(tài)均勻一致存在較大差別。 依據(jù)對典型滑坡地質體中的關鍵結構面的觀察和分析,將工程巖體中控制性結構面的結構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構面模型,并將結構面的起伏度、夾層厚度、夾層物質組成作為反映結構面非連續(xù)特征的特征參量,研究這些特征參量對結構面抗剪力學性能的影響。研究巖土材料包括結構面的抗剪力學性能,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現(xiàn)對試樣的剪切作用,一次剪切試驗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,對于剪切面內部的應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構面中一個巖體界面,就可以實現(xiàn)在一次剪切過程中對剪切面的不同局部位置的應力狀態(tài)進行測量。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型膜結構作為受力彈性體結構,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多維力傳感器的結構特點,以及在一個剪切面內測量局部剪切應力的應用要求,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構面的一個接觸面。試驗中將多維力傳感器排列成6×1的受力矩陣。為了構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米的鋼結構支架上,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構面的應力應變關系,包括法向壓縮過程中的法向應力與法向應變的應力應變關系和剪切過程中的剪切應力與法向應力的關系。研究表明法向壓縮過程中,法向應力在不同區(qū)域內會因為夾層材料的變形剛度差異形成不均勻的分配關系,試驗驗證了對這種分配關系的理論推導。 在剪切過程中的剪切應力與法向應力的關系時,通過試驗發(fā)現(xiàn)在剪切過程中盡管總的結構面平面內法向力保持穩(wěn)定,局部單元上依然反映出較為顯著的法向應力調整,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,與力學中的力偶概念相似,因此稱之為局部法向應力的“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,結合多相流擴散模型,該現(xiàn)象可以解釋為當剪切過程開始后,夾層材料會在剪切作用下產生沿結構面的運動。但是結構面每處夾層物質遷移的數(shù)量和速度存在差異,因而導致在某些局部,夾層物質會增多,產生擠脹,使局部法向力增加；相對應的部分區(qū)域的夾層物質減少,形成塌縮,導致局部法向應力降低。 在剪切試驗中,研究了起伏角以及夾層材料物質組成對剪切力學過程的影響。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-切向分力關系圖出現(xiàn)橫向變化的點增多,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力調整的幾率。 在研究夾層物質對結構剪切力學性能影響機制的試驗中,調整夾層材料碎石含量為20%、40%、60%和80%,對比剪切試驗成果可以得出以下結論：(1)隨著碎石含量的增多切向應力變化范圍明顯增大；(2)隨著碎石含量的增多出現(xiàn)法向應力調整的單元增多,應力調整的范圍增大；(3)碎石含量較大時,一些單元上法向應力與切向應力的關系表現(xiàn)接近于摩爾庫倫定律。根據(jù)對軟弱結構面主要結構特征的相關研究,選取其中對其剪切力學特性影響較顯著的特征結構因素,將軟弱結構面概化成包括上下巖體結構和中間軟弱夾層結構,上下巖體與軟弱夾層的接觸面的粗糙結構概化為有一定傾斜角度(結構面起伏角)、有一定高度的鋸齒狀結構,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構的軟弱結構面的顆粒離散元模型并進行結構面剪切過程的模擬。PFC2D以圓形(圓碟)作為最基本的顆粒單元,通過構建由大量圓形顆粒組成的顆粒集模型并模擬圓碟的運動及其相互作用來模擬宏觀結構的力學過程。在顆粒單元的基礎上,通過循環(huán)的運動.力學計算具有復雜變形模式的實際問題。 采用PFC2D建立的結構面模型在兩個結構要素上有變化。一是起伏角是在同一寬度范圍內布置不同鋸齒齒數(shù)1齒、2齒、3齒、4齒、5齒和6齒,對應起伏角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。 剪切模擬試驗結果顯示夾層厚度為0.6倍齒高、1倍齒高和1.5倍齒高時,具有不同結構面起伏角的結構面的綜合剪切強度差異較大,而夾層厚度為2倍齒高以及2.5倍齒高時,不同結構起伏角的結構面剪切強度較為接近,表明當夾層厚度小于1.5倍齒高時,結構面表面起伏結構才會對剪切強度產生影響,且結構面起伏角較小時,剪切強度較小,結構面起伏角較大時,剪切強度較大。如果夾層厚度大于2倍齒高,結構面的綜合抗剪強度與結構面起伏結構無顯著關系,并且結構面的綜合抗剪強度參數(shù)與夾層材料的抗剪強度參數(shù)較為一致,表明當夾層厚度超過一定厚度,結構面的整體抗剪強度受夾層材料的抗剪強度參數(shù)的控制。 分析模擬試樣剪切過程中的應力應變關系,可以發(fā)現(xiàn)當法向荷載較大時,結構面抗剪強度由峰值強度到殘余強度的應力跌落絕對值可能有一定的增加,但應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構面剪切破壞過程,那么當滑坡啟動后,滑帶抗剪強度跌落越大,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體的關鍵因素； 研究法向位移和剪切位移之間的關系,同樣發(fā)現(xiàn)結構面剪脹變形率(由剪脹角反映)的變化與夾層厚度有關。當夾層厚度小于一定厚度,結構面的起伏結構對剪脹角產生影響,其閥值也大體為1.5倍結構面平均起伏高度。
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【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TU45

【參考文獻】

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本文編號：1721505