节理岩体力学性质尺寸效应离散元模拟研究

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随着国民经济的迅猛发展,大量岩体工程项目的兴建极大地促进了对岩体力学性质的研究。但由于岩石介质的天然复杂特殊性,目前人们对于岩体的力学行为仍不能进行准确且有效地预测和控制,导致岩体工程灾害仍然频繁发生,因而对节理岩体的强度性质以及变形性质正确评估具有至关重要的价值。而尺寸效应作为岩体材料的固有属性之一,对岩石尺寸效应规律性的正确认识和掌握是岩体工程设计和数值计算的关键。.本文基于3DEC软件的数值模拟,针对节理岩体力学性质的尺寸效应及其影响因素开展了研究,主要工作及成果如下:(1)基于单轴压缩试验,探究了节理岩体的强度及变形参数随岩体试样尺寸的变化规律。结果表明,节理岩体的单轴抗压强度随岩样尺寸增大而减小,其尺寸效应规律基本服从负指数函数关系,而强度表征单元尺寸REV约为11.5倍的节理间距(11.5ld);变形模量随岩样尺寸的增大而减小,尺寸效应规律明显,变形表征单元尺寸REV为约为9倍的节理间距(9ld)。(2)基于三轴压缩试验,探究了节理岩体的抗剪强度参数随岩体试样尺寸的变化规律。结果表明,节理岩体的粘聚力随岩样尺寸的增大而减小,尺寸效应规律服从负指数函数关系,粘聚力表征单元尺寸REV约为9ld;节理岩体摩擦角随岩体试样尺寸增大而略有减小,二者之间没有明显的尺寸效应规律。(3)基于三轴压缩试验,探究了节理岩体的力学参数的尺寸效应随围压的变化规律。围压的作用使得节理岩体的三轴强度得到提升,变形性质得以改善,峰后延性增大。随围压的增大,节理岩体的强度性质尺寸效应敏感度增大,强度REV减小;变形模量尺寸效应随着围压增加变化不大,变形REV基本相同。(4)从岩体材料属性角度出发,探究了岩块材料参数和节理材料参数对节理岩体力学性质以及其尺寸效应的影响。结果表明,岩块强度参数与节理强度参数的比值越大,节理岩体强度性质尺寸效应敏感度越大,强度REV越小。节理岩体变形性质具有明显的“短板效应”,基本由处于最不利位置的节理控制,而岩块和节理的材料参数对节理岩体的变形性质尺寸效应规律却基本不产生影响。(5)从岩体几何属性角度出发,探究了节理几何参数对节理岩体力学性质及其尺寸效应的影响。节理几何参数对节理岩体力学性质的影响趋势不是绝对的。节理几何参数直接影响着节理岩体的力学性质,节理几何参数对节理岩体的强度性质尺寸效应规律具有显著影响,但对变形性质尺寸效应规律的影响很小。
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