反倾层状岩体弯曲破坏判据及数值实现

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层状岩体是人类进行工程活动涉及最多的地质体,由于其抗压性能强常被用作工程材料和各类工程建设的基础,但同时本身具有非均质性、不连续性、不均匀性和各向异性等特征,抗拉性能弱,易发生弯拉破坏,如基坑底部隆起、隧道边墙及顶板弯折、采空区顶板弯曲变形以及陡倾层状斜坡的变形破坏等,给人类工程建设带来了严重的危害。现有研究表明,层状岩体变形破坏特性及力学性能与其自身的特殊性有着密切关系,变形破坏过程中逐渐产生损伤,通常表现为岩体力学性能的不断劣化。常规岩体设计往往将岩体弯曲破坏假定为纯拉破坏,同时将其假定为力学参数恒定不变的均质岩体,导致设计结果易出现偏差。因此,认识层状岩体弯曲变形破坏特性及力学性能劣化特征至关重要。为进一步认识层状岩体弯曲变形过程及力学性能劣化特征,本文通过室内常规岩体力学及三点弯曲试验,基于现有理论建立三点弯曲作用下灰岩的损伤本构方程,构建弯曲破坏模式下的破坏判据,借助FLAC3D内置的FISH语言实现弯曲变形数值试验,并与室内试验进行对比,验证所得损伤本构模型的合理性及弯曲破坏判据的适用性,并将其应用于采空区斜坡崩塌工程实例中。其具体研究内容如下:(1)对层理灰岩进行常规岩体力学试验,获取其基本力学强度参数,分析不同试验对应的应力-应变曲线及层状灰岩试件在不同受力状态下相对应的变形特性。(2)通过高径比相同、尺寸不同的三组层理灰岩试件三点弯曲及声发射试验,分析其荷载-位移曲线、应力-应变曲线及应力-累计振铃数-时间曲线,认为试件在三点弯曲条件下的变形破坏是一个局部到整体、先受压后受拉的受力过程,不同弯曲变形破坏阶段对应的声发射现象不同。(3)建立岩梁弯曲拉裂破坏判据并对其进行数值模拟。利用简支梁材料力学弯曲理论,结合试验结果,通过岩石微元体假说与Weibull分布函数对损伤变量D进行修正,基于Lemaitre应变等效原理与连续损伤理论建立三点弯曲作用下灰岩的损伤本构模型。根据采空区斜坡反倾岩体变形破坏特征,构建弯曲破坏模式下的破坏判据,借助FLAC3D内置的FISH语言编写弯曲变形破坏过程中岩体参数劣化和弯曲内力计算的代码,从而实现弯曲变形数值试验,并与室内试验进行对比验证。(4)根据采空区顶板变形特点及约束条件,作出基本假定及适当简化,总结出两种约束条件下的反倾结构力学模型,建立采空区层状岩体弯曲破坏力学判据。采用控制变量方法,探讨了弯曲拉应力与岩梁长度及层厚的关系。(5)以贵州纳雍左家营崩塌为工程依托,建立采空区斜坡崩塌数值分析模型,分别基于常规摩尔-库伦模型和弯曲损伤本构模型对采空区顶板层状岩体变形进行模拟,从应力、位移及破坏区等方面对两种计算结果进行对比;并结合结构力学计算结果对比1号采空区顶部弯曲应力值,进一步论证所得损伤本构模型及弯曲拉裂破坏判据的合理性。层状岩体的力学性能及变形破坏特征与其自身特殊性密切相关,贵州大部分崩塌地质灾害发生区域均存在层状岩体,且多为层状灰岩,由于层状灰岩破坏为脆性破坏,导致崩塌具有突发性、难以防治等特点。论文构建了三点弯曲作用下灰岩的损伤本构方程和弯曲破坏模式下的破坏判据,并对其进行数值模拟,对于正确认识层状岩体的变形特性具有重要作用,可为采空区等类似工程的岩体稳定性计算提供有益参考。
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