非充填粗糙节理直剪分析及参数反演_卢敦华

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非充填粗糙节理直剪分析及参数反演*卢敦华1,林 杭2,曹日红2,方建勤3

(1.河南工程学院环境工程系, 河南郑州 451191;2.中南大学资源与安全工程学院,

湖南长沙 410083;3.广东云梧高速公路有限公司, 广东云浮市

527300

摘 要:利用fish语言实现了在PFC中建立不同JRC值的粗糙节理模型,从细观角度研究粗糙节理的直剪特性和破坏情况。与此同时也分析了节理面附近颗粒不同粘结强度和不同摩擦系数对节理力学性质的影响。结果如下:随着剪切的进行节理面颗粒粘结发生断裂产生微裂纹,随剪切位移的增加微裂纹不断累积从而形成宏观破坏,法向荷载较大时所产生的微裂纹数量也较多,节理面形貌损伤更严重;节理面颗粒粘结强度增大时节理峰值抗剪强度也会增大,节理抗剪强度参数Cj和φj也会随粘结强度的增加而增大,φj值的增幅要稍大于C

;节理面颗粒摩擦系数增加时峰值抗剪强

度会相应增加,摩擦系数对φj值有着较大影响,其随摩擦系数的增加出现较大涨幅,Cj值也会随着摩擦系数而增加只是相比φj而言其所受影响较小。关键词:直剪分析;节理力学性质;粘结强度;摩擦系数中图分类号:TD313+.5 文献标识码:A

文章编号:1005-2763(2016)01-0114-06

Direct Shear Analysis and Parameter Inversionof Non-filling Rough JointsLU Dunhua1,LIN Hang

2,

CAO Rihong2,FANG Jianqin3(1.Department of Environment Engineering,Henan Institute

of Technology,Zhengzhou,Henan 451191,China;2.Schoolof Resources and Safety Engineering,Central SouthUniversity,Changsha,Hunan 410083,China;3.Guangdong Yunwu Highway Ltd,Yunfu,Guangdong 527300,China)Abstract:The rough joints models with different JRCvalueswere built in PFC by fish language.From the microscopicview,the direct shear characteristics and surface destructionof rough joints were discussed.Meanwhile,the influence ofdifferent bonding strengths and friction coefficients of theparticles nearby joint plane on the joint mechanical propertieswas analyzed.The results were obtained as follows.Firstly

along the shear development,the particle bonding of jointsurface generated the fracture and micro-cracks.And withthe increase of shear displacement,the micro-cracks continu-

ally accumulated to form the macro damage.When the nor-

mal stress was added,the amount of micro-cracks was in-

creased and the morphology damage of joints was more seri-

ous.Secondly,enlarging the bonding strength of joint parti-

cle,the peak shear strength of joint would increase,as wellas the shear strength parameters Cjandφj,and theφjvalueincreased slightly larger than Cjvalue.Thirdly,the frictioncoefficient of joint particles also had influence on the peakshear strength,theφjvalue and the Cjvalue.Along the en-

hancement of friction coefficient,the peak shear strength,

theφjvalue and the Cjvalue all increased.But theφjvaluehad a larger rise,and the Cjvalue was less affected compa-

ring to theφjvalue.Key words:Direct shear analysis,Joint mechanical proper-

ties,Bonding strength,Friction coefficient

在工程实际当中很少会遇到完全均质的岩体,岩体一般都被各种结构面所切割,结构面的广泛存在很大程度上破坏了岩体的连续性和完整性,从而对岩体的强度造成了极大的影响。节理是控制岩体工程稳定性的关键因素[1],

节理岩体的破坏很多都

是沿节理面而破坏的,因此研究节理的抗剪强度、破坏模式以及剪切作用下的形貌损伤有着重要的意义。国内外有不少学者做过相关的研究,如蒋宇静[2]等研究了不同接触状态下节理的剪切力学行为。沈明荣[3]等对规则齿形结构面进行了剪切试验,并对结构面在剪切作用下的扩容特性进行了分析。曹平[4]等进行了不同法向应力下的天然节理剪切试验,对节理的抗剪强度与节理形貌的变化进行

ISSN 1005-2763CN 43-1215/TD 矿业研究与开发第36卷第1期MINING R &D,Vol.36,No.1 2016年1月Jan.2016

*收稿日期:2015-06-23

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51304240,51474249,51374246);河南省高校科技创新人才支持计划项目(2011HASTIT025);

河南省基础与前沿研究项目(102300410140).

作者简介:卢敦华(1966-),男,浙江台州人,副教授,主要从事岩土工程方面的教学与科研工作,Email:ludunhua2009@126.com。

DOI:10.13827/j.cnki.kyyk.2016.01.014了研究。对于真实岩样来说很难实现指定的JRC值,而且考虑到岩石的均质性也无法对同一种粗糙度的节理面进行不同条件下的剪切试验研究。近年来离散元数值方法在岩土工程中的应用越来越广[5-9],而且已有学者已将其成功的用来研究节理的力学特性[10-12]。本文利用离散元软件PFC2D仿照Barton所确定的JRC标准轮廓线建立不同粗糙度的节理模型,从细观角度研究节理的直剪特性和破坏情况,并针对节理面粘结强度和摩擦系数进行了研究,分别分析了两者的变化对节理力学性质的影响。1 节理直剪数值试验1.1 粗糙节理的实现3种节理模型的尺寸均为长×宽=10cm×7cm,PFC中内置了2种基本粘结模型:接触粘结模型和平行粘结模型,其中平行粘结模型可传递球体之间的力和力矩,并体现粘结断裂所导致的刚度退化的特性[13],其能更真实地模拟类岩石材料的特性,因此将颗粒之间的粘结均设为平行粘结,相关的细观力学参数见表1。表1 颗粒细观物理计算参数接触模量/GPa接触刚度比黏结半径系数黏结模量/GPa黏结刚度比黏结法向强度/MPa黏结切向强度/MPa60 1.5 1.0 60 1.5 70 70 生成初始模型(不包含节理的颗粒集)后,利用内置的fish语言编制程序找出与定义节理线相接触的颗粒,并把它们用不同的颜色标记(如图1所示)。图1中是JRC值为18~20的节理模型,图中红色部分代表上节理面,蓝色部分为下节理面。红球与蓝球之间的粘结设为0,以此来分开模型上下两部分形成粗糙节理面。由于节理面附近的岩石强度有别于原岩强度,所以在计算当中对节理面附近的颗粒赋予了不同程度的强度参数,旨在研究不同节理面强度下所表现出的力学性质。1.2 直剪试验方案直剪试验所需要的剪切盒是由刚性墙所组成的,总共包含4堵墙,底部墙体在剪切过程中一直处于固定状态。剪切时需要对模型施加法向恒定荷载,此过程需要引入伺服机制,因为在PFC中无法对墙体直接施加荷载只能施加速度。本文中剪切盒模型如图2所示,图中顶墙Wall 3用来施加法向恒定荷载,侧墙Wall 1为剪切加载墙,剪切过程中Wall 1、Wall 2、Wall 3同时向右运动,速率为ν=0.03mm/(106step

)。

图1 节理模型JRC=18~20

图2 直剪示意图2 

试验结果分析

为了探讨和研究粗糙节理在法向荷载下的力学特性,本文对3种不同粗糙度的非充填节理进行直剪试验模拟。节理JRC值范围分别为:0~2,10~

12,18~20。法向荷载分别为3,6,9,12,15MPa五种不同的工况。

2.1 

粗糙节理直剪特性与形貌损伤

岩石节理的剪切特性受法向荷载的影响较大,在较低法向荷载作用下进行剪切时,模型会更多的沿节理面滑动,剪胀现象也会更加明显,节理面的形貌损伤较多的表现为摩擦破坏。当作用在节理面的法向荷载较大时,模型所受约束较大,剪胀会受到更大的限制,摩擦影响相对较小,此时节理面的形貌损伤主要由剪切作用所致,法向荷载足够大时,粗糙节理面的“锯齿”将会被剪断,形貌损伤更加明显。图3显示了节理JRC值为18~20的模型在不同法向荷载下所表现出来的剪切应力、法向位移、裂纹数量与剪切位移之间的关系(此时节理面附近颗粒粘结强度为原岩的30%

,摩擦系数为0.1)。在法

向荷载下随着剪切位移的增加,剪切应力迅速增长,

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卢敦华,等.非充填粗糙节理直剪分析及参数反演[J].矿业研究与开发,2016,36(1).