恒定法向刚度边界条件下平行多粗糙节理剪切特性数值模拟研究

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岩石节理的剪切滑移是工程岩体中常见的破坏模式,因此节理的剪切特性一直是岩石力学领域的一个重要研究课题。对于大多数地下工程,岩体节理剪切破坏受围岩约束,法向应力随法向位移的增大而增大。因此,恒定法向应力(CNL)边界条件不再适用,应采用恒定法向刚度(CNS)边界条件。目前,对单节理剪切特性的研究已经非常成熟。然而,天然岩体中的节理往往不能单独存在,多个节理之间的相互作用对岩体的力学性质有重要影响。因此,本文利用离散元软件UDEC,系统地开展了岩石单节理、双节理、多节理剪切特性的数值模拟试验研究。取得的研究成果如下:(1)利用UDEC软件,选用连续屈服(CY)节理模型作为本构模型,构建CNL及CNS边界条件下的平直单节理直剪模型,开展节理各参数对剪切特性的影响,揭示两种边界条件下节理剪切力学特性的差异,并对该数值模拟方法进行了室内实验验证。(2)采用Hurst指数独立分割法构建5种不同粗糙度的随机形貌岩石节理。以生成的粗糙节理面为研究对象,基于正交试验方法,选取粗糙度系数(JRC)、初始法向应力、法向刚度3个因素,每个因素分别设立5个水平,确立25种试验方案,开展一系列CNS边界条件下岩石单粗糙节理剪切特性的数值模拟研究,得到各因素对岩石节理初始剪应力峰值、岩石节理法向位移、峰值表面阻力指数和法向应力的影响程度,建立峰值表面阻力指数与节理粗糙度系数和初始法向应力之间的经验关系式。(3)开展了CNS边界条件下岩石双粗糙节理剪切效应的数值模拟研究,探究了JRC及节理间距对剪切效应的影响。对于相同的JRC,随着节理间距的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈逐渐增大趋势。对于相同的节理间距,随着JRC的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈线性增大趋势。(4)在上述研究的基础上,进一步开展了岩石平行多粗糙节理在5种不同JRC和5种不同节理数量下的剪切数值试验,对于相同的JRC,随着节理数量的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈逐渐减小趋势。对于相同的节理数量,随着JRC的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈线性增大趋势。
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