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岩石结构面三维粗糙度指标及其剪切力学性质研究

【摘要】:在岩石力学与工程地质领域,结构面的存在往往会削弱岩体的强度以及稳定性,对工程安全有重要影响,如隧道开挖、边坡稳定、矿井建设工程安全、嵌岩桩的设计、大型水利水电工程中岩体结构的变形及稳定。同时岩体结构面剪切力学性质的研究有助于探求地震诱发机制的研究。本文以粗糙结构面剪切试验与模型研究为研究内容,涉及到岩体结构面粗糙度参数的研究、结构面剪切强度的研究、结构面剪切刚度的研究、结构面剪切变形的研究。本文系统开展了试验研究、模型构建、理论分析。主要研究内容与成果如下:(1)新的岩石结构面三维粗糙度指标研究采用巴西劈裂试验获取了花岗岩劈裂结构面,通过三维扫描技术获取了结构面形态的高精度点云。将结构面微凸体等效为长方体微凸体,微凸体剪胀破坏与剪断破坏两种不同模式对剪切强度影响不同,在此理论基础下提出了具有分维特征的三维粗糙度指标系统。该指标系统可通过等效高差反映微凸体几何参数对强度的影响,可以描述剪切方向性,同时克服了采样间距的影响。(2)粗糙度各向异性效应、采样间距效应、尺寸效应分析研究了结构面形貌粗糙度各向异性、粗糙度采样间距效应、粗糙各向异性度的采样间距效应、粗糙度的尺寸效应、粗糙各向异性度的尺寸效应。当剪切方向固定时,随着采样间距增大粗糙度指标逐渐减小。当采样间距固定时粗糙度指标随着剪切方向的变化而变化,表现出各向异性特点。粗糙度尺寸效应与结构面形貌本身特点有关也与剪切方向有关,但不管哪种尺寸效应哪个剪切方向随着研究尺寸的增大,结构面粗糙度与各向异性度都会逐渐稳定。(3)结构面剪切试验研究结合3D打印技术制作出了与劈裂岩石结构面形貌一致的PLA模具,以PLA模具为底模通过水泥砂浆浇筑了相似结构面试样。然后进行了具有5组形貌面的20个水泥砂浆结构面在4种不同法向荷载情况下的结构面剪切试验。研究了结构面峰值抗剪强度、峰值位移、剪切刚度影响因素。5组结构面磨损后损伤分布与结构面等效高差分布范围基本一致,并且在等效高差为蓝色区域较大且成片的区域磨损较为严重,这表明基于等效高差所提出的粗糙度指标具有一定的合理性。最后,对具有2种不同结构面形貌含有4种不同空腔率的水泥砂浆结构面进行了 8组定法向荷载条件下的直剪试验。实验结果表明结构面剪切强度随着结构面空腔率的增加而逐渐减小。(4)结构面峰值抗剪强度研究结合结构面剪切试验结果与理论分析,探讨了结构面峰值抗剪强度的影响因素并对这些因素影响结构面峰值抗剪强度的机理进行了分析。提出一个描述峰值膨胀角随法向应力变化的函数,将新的粗糙度指标与峰值膨胀角结合提出了结构面峰值抗剪强度模型。针对含空腔结构面的峰值抗剪强度,通过定量分析试验结果得到空腔率影响结构面峰值抗剪强度实质是由于空腔率影响了结构面粗糙度。利用耦合结构面峰值抗剪模型也可以较为精确地计算含有空腔结构面的峰值抗剪强度。(5)结构面剪切变形研究在经典赫兹接触理论与GW模型基础上考虑微凸体磨损提出了考虑微凸体曲率半径变化的GW改进模型。探讨了单个微凸体在法向压力与切向摩擦力作用下的屈服点位置,推导出了单个微凸体所能承受的临界压力公式。提出了结构面剪切刚度模型,计算结果与不同形貌下的剪切试验结果吻合度较好,很好地反映了剪切刚度随法向应力增大而增大的趋势。抓住法向应力与结构面粗糙度主要因素,考虑结构面粗糙度与法向应力的影响,基于试验结果与回归分析提出了适用于自然岩石结构面的峰值位移经验公式。

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