规则锯齿状结构面受力变形过程模拟研究

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1、规则锯齿状结构面受力变形过程模拟研究　　摘要：岩体中发育的各种结构面使岩体物理力学性质变得十分复杂，对工程岩体的　　1研究背景　　岩体是由岩块和分割它们的不连续面组成的地质体，这种不连续面被称为结构面。国际岩石力学学会将岩体中的断层、软弱层面、大多数节理、软弱片理和软弱带等各种力学作用形成的破裂面和破裂带定义为结构面[1]。　　由于结构面的存在，岩体工程性质千差万别，是十分复杂的且难以用原位试验来进行测试的。经过多年来的研究表明，作为岩体重要组成部分的结构面控制着岩体的强度、变形和渗透，是造成岩

2、体工程性质复杂的关键所在。　　本文选择FLAC3D模拟软件，能够很好地对规则锯齿状结构面进行受力及变形过程的模拟，通过这种模拟可以分析岩体及结构面的受力变形规律，可以通过调节参数的设置，对不同类别不同尺寸的岩体进行受力变形模拟，提出相应的岩体受力变形的规律。　　2研究对象　　根据结构面的走向延展性、纵深发育和宽度（厚度）大小，岩体结构面可分为Ⅰ-Ⅴ级[2]。Ⅳ4级结构面主要是岩体中断续分布的节理和层理，包括岩浆岩、变质岩中的原生结构面和岩体中的次生结构面等。其特征是结构面数量众多但规模小，一般不

3、能切穿整个工程岩体，只能局部地把岩体切割成块体，长度一般数十厘米至20～30m，宽度从零至数厘米不等[3]。Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，是岩体结构研究的重点。　　3研究路线　　本文主要以上文所述的Ⅳ级结构面为主要研究对象，并以规则锯齿状结构面为模型主体，分别建立起伏角为45°和30°两种结构面岩体，以FLAC3D软件为载体，通过改变垂直应力的数值，对不同起伏角结构面岩体进行三维模拟，分别对岩体、结构面在受力过程中受力变化、变形进行模拟分析。　　4岩体结构面建模　　图1为

4、锯齿状结构面（无填充）的受力示意图，图中？滓1表示垂直应力，？滓2表示水平应力，i表示结构面的起伏角（表征粗糙度的主要参数），？啄表示锯齿的起伏差，在本论文中为便于不同模型之间的分析比较以及突出起伏角在结构面受力破坏中的作用，故设定所有模型的起伏差均为1cm。　　根据李先炜的乘压板法测定岩体的变形性质试验[4]所得的数据，本文对不含填充物的致密玄武岩结构面受力过程的模拟采用完全弹塑性模型，具体参数如表1-2。4　　模拟过程中对模型的上部分别施加大小为0.13MPa、0.26MPa、0.39MPa

5、、0.52MPa、0.65MPa、0.78MPa、0.91MPa、1.04MPa、1.17MPa、1.30MPa的垂直应力，同时对模型左侧施加大小为1MPa的初始水平应力，模拟分析不同垂直应力条件下岩体的受力变形情况（岩体模型见图2、图3）。　　5结论　　经过上述分别对起伏角为45°和30°的结构面岩体模型的受力变形过程进行了FLAC3D模拟，根据模拟数据及图形可初步得到如下结论：　　5.1在岩体受力方面：岩体受力过程中随着垂直应力的不断增加，岩体的X、Z方向的应力都随着垂直应力的增加而增加，这

6、种趋势在结构面岩体破坏前，增加速度慢，岩体破坏后，增加速度显著；岩体受力破坏前X向的最大应力值处于第一锯齿处，但随着垂直应力的增加当岩体破坏时，X向的最大应力位置发生变化，出现在模型的右上方，原因是结构面锯齿遭到破坏，对水平应力的阻碍作用减小所致。　　5.2在岩体变形方面：岩体破坏前，Z向位移随着垂直应力增加而增加，X向位移随着垂直应力的增加而减小，这是由于压制作用增强，X向运动遭到阻碍；岩体破坏后，X、Z向位移都随着垂直应力的增加而呈现出增加的趋势，且数值增加速度较破坏前有显著提高；岩体受力在

7、破坏前在X向的最大位移值处于第一锯齿处，但随着垂直应力的增加当岩体破坏时，X向的最大位移位置也随着最大水平应力位置的改变而改变，出现在模型右上方。　　5.3结构面受力及变形方面：在岩体破坏前，结构面上的剪应力和剪应变均随着垂直应力的增加而增加，在破坏后剪应力和剪应变的数值迅增；结构面上的最大剪应力和最大剪应变的位置由破坏前的interface1处转移到interface10处。　　5.4不同模型不同结构面位置的比较方面：通过对45°和30°4两种起伏角岩体模型的模拟分析，在相同垂直应力的条件下，

8、起伏角越小的结构面岩体所受到的应力和所产生的位移越大，越易受到破坏，说明岩体越粗糙，岩体的强度越大；两种模型结构面上的最大剪应力和最大剪应变的位置由破坏前的interface1处转移到破坏后的interface10处，而其他位置从未出现最大剪应力好最大剪应变，此种现象的出现说明结构面的临空面最易破坏，这种破坏是由岩体结构面的两端向中间发展的。　　参考文献　　[1]黄润秋，许模，陈剑平，等.复杂岩体结构精细描述及其工程应用[M].北京：科学出版社，2004.　　[2]刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M]