节理岩体变形与强度的尺度效应及REV问题研究

本文围绕随机断续节理岩体的等效强度与变形性质的尺度效应及特征尺寸REV这一主题展开,从岩体的强度参数包括内聚力与内摩擦系数入手,研究了岩体的等效强度特性;从岩体的应力应变曲线研究了岩体的变形特性。本文的主要工作包括以下内容: 1、总结了节理岩体研究的数值方法,归纳了节理岩体等效连续模型的基本思路与特点以及强度等效的基本原理。同时也介绍了岩体中节理表现出的地质特征,包括节理的几何形态特征和节理面的力学特性,以及随机节理的统计特征等。 2、运用随机模拟技术对抽象的具有统计特征的随机节理进行数值模拟,得到二维随机节理网络模型,为下一步的研究提供计算模型。 3、针对本文建立的随机断续节理岩体试件,根据强度等效的原则,确定了各随机节理岩体的强度,采用最小二乘法拟合出直接获得最佳强度参数内聚力C和内摩擦角的函数。 4、对于固定尺寸,同一节理概率分布的岩体试件,分析了强度参数之间的相关性,得到岩体的等效强度参数内聚力C与内摩擦系数F之间具有高度的负相关性,指出进行岩土工程可靠度计算时,必须将其作为相关随机变量对待。 5、研究了节理间距对等效强度参数的影响。节理间距对整个岩体的等效内聚力C与内摩擦系数F的影响作用基本一致。归纳出随节理间距变化的经验公式。 6、针对计算所得到的单轴抗压强度值和有围压时轴向强度,其尺度效应用指数函数y = a+be?kx拟合非常恰当。讨论了轴向强度的特征尺寸REV,规定当尺度效应拟合曲线的斜率小于0.02时参数达到稳定值,此时对应的尺寸为该参数的特征尺寸即REV值。 7、研究了随机断续节理岩体的强度参数的尺度效应及REV。指出用指数函数y = a+be?kx拟合效果最好。同时指出强度参数C与F的尺度效应的规律基本近似,两者相关系数高达0.94。 8、研究了节理间距对强度参数的尺度效应及特征尺寸REV的影响规律。节理间距对尺度效应的影响规律通过比较发现用幂函数y = a+bxc拟合最佳。内聚力C的特征尺寸REV相对F来说对节理间距的变化更加敏感一些。 9、研究了节理长度对强度参数的尺度效应及特征尺寸REV的影响规律。等效内聚力C的REV随着节理长度增加,而增加,关系满足对数函数。而等效内摩擦系数F的REV随着节理长度增加而减小,关系同样也满足对数函数形式。 10,指出尽管随机节理岩体尺寸达到了特征尺寸的大小,但仍然存在各向异性。 11研究了随机断续节理模型的变形特征。指出应用应力-应变曲线来度量岩体的变形特征尺寸比单一变量更加合理。发现当岩体尺寸比较小时,同一节理概率模型下的不同试件的应力-应变曲线的离散性比较高,随着试件尺寸的增大,多组应力-应变曲线越来越趋于一致,多组曲线组成的条带宽度渐渐变窄,可见岩体的变形特征具有明显的尺度效应,根据离散度的判断标准得到了岩体变形性状的特征尺寸REV值。