加锚裂隙岩体整体力学性质研究与分析

论文摘要

岩体介质由于地壳的不断运动、发展，呈现出显著的不连续性，存在大量的节理、裂隙等不连续界面。这些裂隙的规模虽然不大，没有把岩体切割成块体，但裂隙的存在却大大改变了岩体的力学性质，从而降低了岩体的变形模量及强度参数，并且使岩体呈现明显的各向异性性质。裂隙岩体在各类工程中是非常普遍的。锚杆能够把被节理裂隙切割的岩块串在一起，增加岩体的完整性，这对于提高岩体强度、发挥岩体介质本身的自承能力能起到事半功倍的效果。经过几十年的发展和经验积累，锚杆支护已成为一种非常有效的岩土工程加固手段。但是岩体锚杆支护理论却远落后于实践。因此建立一种比较完善的适合加锚裂隙岩体的力学体系迫在眉睫。可以为生产实践提供必要的、先进的理论指导。 本文根据国内外岩体锚杆支护理论研究的现状，利用复合材料细观力学的方法建立了加锚裂隙岩体的细观力学等效模型，对其进行数值模拟研究计算，并通过室内单轴压缩试验和三轴压缩试验以及工程实例来验证理论模型和数值分析结果的正确性和合理性。主要在以下几个方面进行了研究。 (1)理论方面：用复合材料力学的研究观点和方法将加锚裂隙岩体看成一种层内混杂复合材料，建立了加锚裂隙岩体复合材料细观力学模型来描述其细观结构与宏观性能之间的关系，定量的研究了锚杆、裂隙以及粘结材料的力学性质对加锚裂隙岩体的整体力学性质的影响。 (2)试验部分：通过室内单轴和三轴压缩试验定性地研究加锚裂隙岩体的破坏模式和力学性质；通过室内试验研究了粘结材料对加锚岩体的力学性质以及强度的影响，以有一定粗糙度的压花铝片来模拟工程中所用的螺纹钢，研究了铝片与试件轴向所成的不同角度对岩体力学性质的影响，为理论研究提供实测资料，也为数值模拟计算提供计算参数和依据。 (3)数值模拟试验研究：以大型通用有限元软件Marc为依据，用自己编制的用户子程序建立有限元网格模型，模拟加锚裂隙岩体的一个体积代表单元的多种工况(单轴拉伸、压缩以及三轴压缩)，得到加锚裂隙岩体的等效应力—应变曲线和等效强度特性参数C，Φ。与细观力学模型计算的结果和室内试验结果进行比较，基本吻合，证实了数值模拟试验结果的正确性和合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 锚固支护理论的国内外研究现状
• 1.2.2 裂隙岩体力学性质的国内外研究现状
• 1.2.3 裂隙岩体加固机理的国内外研究现状
• 1.3 研究方法与研究内容
• 1.3.1 研究方法
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 加锚裂隙岩体细观力学模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 加锚裂隙岩体细观力学等效模型的建立
• 2.2.1 单向节理岩体的正轴刚度矩阵与复合弹性常数的确定
• 2.2.2 单向节理岩体的偏轴刚度矩阵
• 2.2.3 加锚裂隙岩体的正轴刚度矩阵与复合弹性常数的确定
• 2.3 考虑粘结材料时加锚裂隙岩体的弹性常数求解
• 2.3.1 锚杆粘结材料复合体的正轴刚度矩阵与复合弹性常数
• 2.3.2 考虑粘结材料时加锚裂隙岩体复合材料的弹性常数
• 2.4 本章小结
• 第三章 加锚岩体力学性质的室内试验研究
• 3.1 室内试验方案
• 3.1.1 试验研究的目的和任务
• 3.1.2 试验的规模和性质
• 3.1.3 试件设计的主要组合参数
• 3.2 试验设备简介
• 3.2.1 RMT─150电液伺服机简介
• 3.2.2 RMT─150后处理系统
• 3.3 原岩的物理力学性质的确定
• 3.3.1 单轴压缩试验
• 3.3.2 破坏模式观察
• 3.3.3 三轴压缩试验
• 3.4 加锚岩体0度试件的室内试验研究
• 3.4.1 单轴压缩试验
• 3.4.2 三轴压缩试验
• 3.5 加锚岩体45度试件室内试验研究
• 3.5.1 单轴压缩试验
• 3.5.2 三轴压缩试验研究
• 3.5.3 不同粘结材料影响的研究
• 3.6 加锚岩体60度试件的压缩试验研究
• 3.6.1 单轴压缩试验
• 3.6.2 三轴压缩试验
• 3.6.3 不同粘结材料影响的研究
• 3.7 加锚岩体90度试件的压缩试验研究
• 3.7.1 单轴压缩试验研究
• 3.7.2 三轴压缩试验
• 3.7.3 不同粘结材料影响的研究
• 3.8 不同角度对岩体力学性质的影响
• 3.9 本章小结
• 第四章 加锚岩体的数值模拟试验研究
• 4.1 本构模型
• 4.1.1 岩土材料本构模型简介
• 4.1.2 岩土材料屈服准则
• 4.1.3 非线性问题求解
• 4.1.4 试验原理
• 4.2 岩体、锚杆和节理的力学性质参数选取
• 4.3 加锚岩体数值模拟试验研究
• 4.3.1 加锚裂隙岩体单元体的单轴压缩试验
• 4.3.2 不同粘结材料的岩体强度的比较
• 4.4 加锚裂隙岩体的常规三轴压缩试验
• 4.4.1 0°试件三轴压缩数值模拟试验
• 4.4.2 90°试件三轴压缩数值模拟试验
• 4.4.3 不同角度的影响
• 4.5 数值模拟试验与室内试验以及理论模型计算结果比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于数值模拟方法的岩体锚杆支护系统试验研究
• 5.1 计算参数的选取
• 5.1.1 岩体参数的选取
• 5.1.2 锚杆和粘结材料的参数选取
• 5.2 单轴压缩试验
• 5.2.1 单根锚杆加固时单元体的数值模拟单轴压缩试验研究
• 5.2.2 多根锚杆加固时单元体的数值模拟单轴压缩试验研究
• 5.3 单轴拉伸试验
• 5.3.1 单根锚杆加固时单元体的数值模拟单轴拉伸试验研究
• 5.3.2 多根锚杆加固时单元体的数值模拟单轴拉伸试验研究
• 5.4 常规三轴压缩试验
• 5.4.1 单根锚杆加固时单元体的数值模拟三轴压缩试验
• 5.4.2 多根锚杆加固时单元体的数值模拟三轴压缩试验研究
• 5.4.3 不同类别岩体多锚情况下的三轴压缩试验研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 溪洛渡水电站场内公路隧道开挖变形控制研究
• 6.1 工程简介
• 6.1.1 概述
• 6.1.2 工程地质条件及围岩物理力学性质
• 6.2 数值模拟计算
• 6.2.1 隧道开挖加载模拟
• 6.2.2 岩体、锚杆及砂浆的物理力学性质参数
• 6.2.3 计算结果分析
• 6.2.4 小结
• 6.3 利用细观力学模型得到的参数进行计算
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢