基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:河南省青年托举人才工程项目()中国博士后面上基金项目()作者简介:姜耀飞男工程师博士主要从事岩体力学与数值模拟方面的研究 :.通信作者:李清波男正高级工程师主要从事工程地质及水文地质方面的研究 :.文章编号:()引用本文:姜耀飞李清波陈艳国等.基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征.人民长江():.基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征姜 耀 飞李 清 波陈 艳 国高平(.黄河勘测规划设计研究院有限公司河南 郑州 .水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)河南 郑州)摘要:在基于离散元的复合岩体结构面数值模拟中细观参数校
2、核是重中之重而探讨宏细观参数之间的响应特征可为细观参数校核提供重要依据 分别利用粘结强度清除法和 模型建立复合平直结构面数值模型深入分析了两种不同方法所建立的结构面宏细观参数响应关系 研究结果表明:在基于粘结强度清除法的平直结构面模型中峰值强度与细观颗粒摩擦系数值呈正相关应用 模型模拟结构面时细观基本摩擦系数()与结构面宏观基本摩擦角呈正相关且约等于其反正切值细观法向刚度()和细观切向刚度()分别与结构面宏观的法向刚度和切向刚度呈正相关 最后结合拟合与试错法给出了新的参数校核模型该模型具有准确和效率高的优点可为结构面细观参数快速、高精度校核提供重要参考关 键 词:结构面 宏细观参数 细观参数校
3、核 离散元理论 复合岩体中图法分类号:文献标志码:./.引 言岩体的力学行为很大程度上取决于其节理的力学特性 岩体节理的强度和变形行为得到了学者们广泛的研究提出了巴顿剪切模型、双线性剪切强度准则等许多剪切强度模型或方法来分析岩石节理的力学行为 目前大部分研究集中于两侧岩性性质相同的结构面而针对两侧岩性性质不同的复合岩体结构面研究相对较少 晏同珍、邓清禄、吴树仁、李华亮等认为三峡库区巴东组地层是典型的“易滑地层”究其原因巴东组地层为沉积旋回作用沉积的红层复合岩体表现为软硬互层状结构岩体力学性质特殊 近些年来学者们开始重点关注复合岩体结构面的力学性质贺建明、鲁祖德等通过室内试验重点分析了异性结构面
4、的变形、强度特征 吴琼等 着力于三峡库区巴东组异性结构面剪切特性研究提出了预测异性结构面剪切强度的神经网络模型并探讨了异性结构面剪切特性的水致裂化规律 方堃等通过相似材料试验和基于颗粒流软件 的数值试验对异性结构面开展研究发现异性结构面的剪切性质更加接近于性质较弱一侧岩石所组成结构面的剪切性质近些年来随着计算机技术及数值理论的快速发展数值试验成为低成本高效率的重要研究手段之一结构面作为控制岩体稳定性的重要因素利用数值模拟对结构面开展研究也得到了长足的发展 其中基于离散元理论的 ()颗粒流数值 第 期 姜耀飞等:基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征模拟软件在模拟岩体变形、力学性质、裂纹扩
5、展、结构面粗糙度退化行为等方面具有较大的优势 最初于 年提出了粘结强度清除法模拟岩体结构面 然而该方法因颗粒本身的起伏而不正确地提高了结构面粗糙度而且在峰后导致应力应变曲线出现不正常的急剧下降等 为了解决该问题 等在 年提出了 模型然而利用数值软件开展数值试验时数值参数尤为重要尤其是离散元软件 中的细观参数与岩体的宏观参数不对应增加了高效且准确获取数值参数的难度 因此 中细观参数的校核问题一直困扰着学者们究其原因在于宏细观参数响应关系不清晰尤其是针对复合岩体结构面的 细观参数校核方法鲜见报道 的手册中给出了经典的试错法可按照一定的步骤通过不断尝试的方法进行参数校核然而该过程较为繁琐且浪费时间本
6、文首先探讨基于复合岩体结构面的 宏细观参数响应特征然后在试错法的基础上提出针对复合岩体结构面的 细观参数校核方法旨在弄清宏细观参数响应关系以解决 中复合岩体结构面细观参数校核的问题提高参数校核的效率、精度研究成果可用于复合岩体的易滑地层地区为易滑地层的数值模拟提供高效、高精度的校核参数 岩体细观参数获取.室内试验本文主要研究复合岩体结构面的细观参数在此之前首先应获取结构面岩壁的宏观物理力学参数为准确获取岩壁细观参数做准备 在野外获取的复合岩体试样用立式钻床加工单轴试验所用圆柱试样试样尺寸为 如图 所示为利用单轴压缩伺服试验仪测试泥岩、泥质灰岩圆柱试样的物理力学强度指标通过单轴伺服试验机开展室内
7、单轴试验试样如图 所示主要用来测试岩石的单轴抗压强度、弹性模量以及泊松比等参数指标 首先对已加工好的标准圆柱样品进行基本指标测量主要包括重量、直径、高度等指标 在单轴压缩试验过程中对径向和轴向的形变进行监测用于计算岩石的弹性模量和泊松比 利用劈裂试验间接获取岩石的抗拉强度 表 给出了典型复合层状岩体结构面基本力学参数测试结果.岩体数值模型细观参数校核基于岩体的宏观物理力学参数利用 数值单图 室内单轴试验.表 复合岩体结构面基本物理力学参数.地层岩性抗压强度/抗拉强度/弹性模量/泊松比泥质灰岩.泥岩.轴试验校核了结构面两侧岩体(泥岩、泥质灰岩)的细观参数 数值模型如图 所示模型尺寸及边界条件与室
8、内试验相同校核所得的细观参数如表 所列把校核所得的细观力学参数赋值到数值模型中 数值单轴试验结果与室内试验的对比如表 所列 由表 可知两者差距较小认为利用该细观参数建立的数值模型可以模拟岩体(泥岩、泥质灰岩)的物理力学性质图 数值单轴试验模型(尺寸单位:).表 结构面岩壁细观参数.细观性质密度/()弹性模量/摩擦角/()/张拉强度及标准差/黏聚力及标准差/泥岩.泥质灰岩.人 民 长 江 年表 室内与数值单轴试验结果对比.试验类别岩性抗压强度/抗拉强度/弹性模量/泊松比室内试验泥质灰岩.泥岩.数值试验泥质灰岩.泥岩.基于粘结强度清除法的结构面宏细观参数响应特征分析.方法发展历史及局限性分析粘结强
9、度清除法最早是由 于 年模拟岩体结构面时提出该方法设置结构面处颗粒的粘结强度为 来代表结构面 等通过建立平直结构面数值模型设置颗粒的摩擦系数为.及.三种级别开展了平直结构面的数值直剪试验发现颗粒之间会产生互锁现象从而导致与室内平直结构面剪切性质存在区别认为利用该方法会产生剪胀问题或者在剪切过程后段出现剪切强度上升等问题尽管有上述问题该方法还是受到了很多学者青睐并相继提出了一些方法降低由于互锁造成的不良影响 建议把非粘结的宽度调大到几个颗粒直径的宽度另外也有学者建议把结构面处非粘结颗粒的摩擦系数设置为接近于.结构面细观参数对宏观变形特性影响分析鉴于粘结强清除法模拟岩体结构面的优势利用该方法建立了
10、平直复合层状岩体结构面数值模型进而探索宏细观参数之间的响应关系以便为细观参数校核提供参考如图 所示为一基于粘结强度清除法建立的平直岩体结构面数值模型 上盘为泥岩下盘为泥质灰岩单侧壁岩的尺寸为 中间为一平直结构面 其中蓝色或者绿色颗粒代表岩壁颗粒之间的接触具有粘结强度接触颜色为灰色 结构面处的接触颜色为红色粘结强度设置为 边界条件为下盘固定上盘受到顶墙向下的法向荷载侧墙设置固定速度水平顶推上盘作为剪切荷载基于平直结构面直剪试验研究剪切强度细观参数(细观剪切刚度及基本摩擦角)与宏观参数的对应关系 为探讨法向应力及细观参数(颗粒摩擦系数)对峰值剪切强度的影响在法向应力范围为.的情况下研究 为 .时峰
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- 关 键 词:
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