泥质白云岩结构面抗剪强度各向异性的数值模拟.pdf

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1、第31卷第7期水电能源科学Vo1．31No．72013年7月WaterResourcesandPowerJui．2013文章编号l1000—7709(2013)07—0127—04泥质白云岩结构面抗剪强度各向异性的数值模拟祝艳波，杨艳霞。，曾红彪，李科(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074；2．西北综合勘察设计研究院，陕西西安710003)摘要：针对结构面抗剪强度的各向异性对坝基稳定性评价的影响问题，利用3DEC模拟软件对泥质白云岩结构面进行直剪模拟试验，研究了其抗剪强度随粗糙度变化的规律。结果表明，泥质白云岩结构面的粗糙

2、度越大，剪切应力一剪切位移曲线峰值越明显，结构面的抗剪强度越大，抗剪强度参数也越大；法向应力水平越高，粗糙度对结构面抗剪强度的影响越弱。关键词：泥质白云岩；结构面；抗剪强度；各向异性；数值模拟中图分类号：TU452文献标志码：A天然岩体常包括节理、裂隙、断层、软弱夹层本文直剪试验选用的本构模型为连续屈服节等各种不连续面，这些结构面的表面起伏形态会理本构模型。模型方程可简要描述为法向应力增影响其抗剪强度特征，同时结构面的粗糙程度具量Aa随应变增量△“的变化，即：有各向异性，这也决定了其抗剪强度具有各向异△一KAu(1)性。因此研究结构面粗糙度

3、的各向异性，对研究其中K一n(2)结构面抗剪强度参数变化具有重大意义E1,23。目式中，K为法向刚度；n、en均为模型参数]。前，直剪试验被广泛应用于结构面抗剪强度研究显然，法向刚度随法向应力的增大而增大。中，并已取得一些成果。如JingL等提出了节1．2直剪模拟试验模型的建立理多粗糙度剪切概念模型；UengTS等等研究对于直剪模拟试验模型，建模过程中不考虑了结构面各向异性的剪切强度；赵平劳在研究温度、含水量、时间等因素的影响。首先需建立闭了大量岩石结构面室内直剪试验的基础上，揭示合的上下两部分岩石块体的模型，为便于与室内出层状节理面抗剪强

4、度各向异性的规律；Tang直剪试验相比较，模型尺寸选取结构面上部岩块Huiming等]提出一种新的度量粗糙程度的参为10cm×10cm×5cm、下部岩块为15cm×10数，其考虑了结构面的各向异性，利用该参数可快cm×5cm。在离散元数值模拟软件3DEC中建速估算抗剪强度。此外，利用数值模拟方法研究立的三维模型受力简图见图l。粗糙度对结构面抗剪强度的影响日益受到关注。法向压力如易成等采用ANSYS有限元软件构建了岩体剪切位移速三维粗糙表面，并做了玄武岩试件的直剪试验，分析了粗糙表面对岩体剪切力学行为的影响。鉴此，本文利用3DEC模拟软件，对

5、某水库拱坝地基岩体出露的泥质白云岩进行了结构面直剪模拟试图1直剪试验数值模型受力示意图验，研究了结构面在粗糙度各向异性的情况下的Fig．1Forcediagramofnumericalmodelindirectsheartest抗剪强度变化特征，结果对坝基岩体稳定性评价1．3参数设置具有一定的参考价值。在离散元模拟计算中，选用模型的网格单元尺寸对计算结果影响很大。一般网格单元的尺寸1构建泥质白云岩结构面直剪模拟越小，计算精度越高，但相应的会占用更多内存和试验数值模型耗费更多时间。本文对上部岩块模型网格划分更1．1本构模型的选取细，指定岩块模

6、型为塑性材料模型单元。上下块收稿日期：2013—0324，修回日期：201305—29作者简介：祝艳波(1985一)，男，博士研究生，研究方向为岩土体的工程稳定性，Email：342948684@qq．corn·128·水电能源科学体之间的节理面采用连续屈服节理本构模型。泥内，表明数值模拟选取的模型具有一定的可靠性。质白云岩物理指标见表1，结构面数值模拟计算需要说明的是，针对每一块结构面，采用数值模拟参数见表2。还原室内直剪试验只能验证其抗剪强度的试验表l泥质白云岩物理指标值。这是因为在室内直剪试验中，首先测试出同Tab．1Physical

7、indexesofargillaceousdolomite一类结构面在不同水平的法向应力下的抗剪强单轴抗弹性块体体积剪切度，然后再算出这类结构面的抗剪强度参数，即计岩性压强度模量泊松比密度p模量模量／MPaE／GPa／(g·cm)K~GPaG／GPa算的室内试验值为一综合值。泥质白云岩79．1618．4l0．212．65110．587．6073结构面抗剪强度各向异性数值模拟表2泥质白云岩结构面数值模拟计算参数Tab．2Numericalsimulationparametersofdiscontinuities3．1恒定法向应力下剪切应力一剪

8、切位移变化ofargillaceousdolomite规律模拟泥质白云岩结构面不同剪切方向下的粗内Ks糙度变化对其抗剪强度的影响。当法向应力恒定为2．59MPa时，结构面在不同剪