文摘

在岩石工程的寒冷地区,有很多岩石关节。接头的剪切特性发挥决定性的作用在岩石工程稳定性的寒冷地区。本文基于颗粒流的数值模拟方法,选择合理的微观参数的数值模拟螺栓接合的直接剪切试验。结果表明,剪切刚度和接触模量是线性正相关。接触模量越大,残余应力越大,岩石和螺栓之间的协同作用的效果越好,越发达的微裂纹。接触刚度比值越小,残余应力也越大。剪切刚度随接触刚度的增加比率,和接触刚度比越大,越慢剪切刚度降低,而抗剪强度与接触刚度比并没有改变。接触刚度比弱影响裂缝的数量模型。平行剪切刚度增加而增加债券模量和剪切强度随平行键模量的增加而减小。绑定刚度是独立的剪切刚度和剪切应力峰值随约束刚度比的增加而减小。 The greater the bond stiffness ratio, the greater the number of cracks.

1。介绍

有各种类型的地质缺陷和不连续性,如断层、关节,切片,顶。在很大程度上,运动和岩体的变形主要是受这些不连续,有控制影响岩体工程的稳定性(1- - - - - -5]。很长一段时间,为了方便研究,岩体往往是理想化作为均匀连续介质(6- - - - - -11]探索研究的岩体的力学性能,与理论描述岩体的变形和破坏过程的宏观弹塑性理论。这样一个理论模型有一定的意义的岩体的力学性能研究12- - - - - -17]。实验室测试是主要的方法研究裂隙岩体(16,18- - - - - -21]。基于剪切质量测试,巴顿(22)提出了一个JRC-JCS模型估算岩石节理的抗剪强度。李等人。23)深入研究和探讨剪切变形的特点,破坏机理和强度衰减规律标本受到循环剪切。江et al。24]研究联合粗糙度剪切力学特性的影响。Ghazvinian et al。25]研究了峰值抗剪强度和抗剪强度的变化规律不同的锯齿关节。Jahanian和Sadaghiani26]研究联合剪切曲线和峰值抗剪强度在不同波动角度。随着计算机技术的发展和大型计算机的出现,越来越多使用数值模拟方法来研究岩石的力学性能(27- - - - - -31日]。数值方法研究岩体的力学性能,如颗粒流代码(PFC),被广泛应用于岩体工程的设计和施工32- - - - - -35]。公园和歌曲36)进行了一系列的直接剪切测试基于PFC3D的关节和研究几何特征和微观性质的影响关节的联合剪切性能。

裂隙岩体的剪切力学特性之间的关系和正常压力和关节表面形貌研究从不同的角度(37- - - - - -40]。然而,这是不够适应岩体的力学性能没有念书从宏观现象的本质岩体产生的力学性能。目前,很少有研究螺栓的剪切力学特性的变化规律在不同岩石显微裂隙岩体参数(41,42]。由于很难获得和螺栓接合样本的研究方法和手段具有不同微观参数,本文采用PFC数值计算方法详细研究的影响不同的微观参数对宏观剪切裂隙岩体的力学行为和微裂隙的发育和演化特征。研究结论有一定的参考价值的实验室测试。

2。建模和参数标定

2.1。数值模型

数值模型是由均匀粒子有关的平行键(43- - - - - -46]。平行债券接触模型,债券相当于并排弹簧作用,可以传播力和扭矩和哪个更符合岩石材料的力学性能,它是使用最广泛的模型来模拟岩石的力学性能。最后本文建立模型。直接剪切边界条件和粒子生成如图1。


图1
数值模型。

不同于其他方法的连续分析,宏观力学行为的模拟粒子的离散单元模型必须由一系列介观参数赋值与材料特性(47- - - - - -51]。介观模型参数的选择与最后的仿真结果的准确性。微观参数的岩石材料的颗粒流模型,它通常是必要的选择宏观力学参数(剪切力学参数和弹性模量)和应力-应变关系在实验室物理测试(52]。本文宏观裂隙岩体的剪切力学行为在不同联合microparameters进行了研究。相关物理力学参数通过实验室测试如表所示1。岩石的微观参数是通过反复调试,如表所示2。岩石的峰值抗剪强度和关节通过数值计算和实验室测试进一步约150倍相比,和相应的抗剪强度参数,附着力和摩擦角,通过莫尔-库仑准则拟合(53- - - - - -55),如表所示3,表明两个相对的值一致。

表1
岩石力学参数样本。
表2
粒子微观参数。
表3
比较从实验室获得的抗剪强度参数试验和数值计算。

3所示。岩石细观结构参数对宏观剪切力学行为的影响

为了研究岩石细观结构的影响参数对宏观剪切螺栓裂隙岩体的力学行为,采用控制变量法进行直接剪切试验数值模拟和结果分析螺栓连接岩体标本不同岩石细观结构参数。在不改变其他参数,只修改了研究对象的微观参数观察剪切机械响应的变化。

3.1。接触模量

接触模量 的弹性模量参数,控制粒子接触。越大 的弹性模量越大,粒子接触。接触模量 可以结合接触刚度比率 。得到两个粒子之间的接触面积转换,正常的刚度kn和切向刚度ks的两个粒子,分别。只有接触模量 是改变,设置为0.1,0.3,1和3 (GPa)。螺栓连接岩体的剪切变形曲线得到,如图2。通过分析不同接触模量相对应的弹性模量,剪切刚度和剪切强度对应于不同模量得到联系,如表所示4和图3。虽然一般来说,模量和剪切强度的增加,接触接触模量有重大影响的刚度模型,所以只有接触模量和剪切刚度之间的关系是着重分析。


图2
剪切应力变形曲线的螺栓接合模量在不同接触。
表4
接触模量和剪切刚度之间的关系和峰值强度的标本。

图3
点图联系模量和剪切刚度之间的关系。

自从接触模量 主要是控制粒子接触之间的弹性模量,越大 岩性的困难。从图可以看出2线性部分的斜率的剪切stress-shear位移曲线接触模量增加而增加。从图3之间的关系,可以看出,剪切刚度和接触模量也基本上是线性的。接触模量越大,越岩石刚度和剪切位移越小的剪切应力峰值而不改变其他参数。此外,接触模量越大 ,postpeak曲线波动越大,postpeak残余应力越大,更好的锚杆和岩石之间的协同作用。接触模量越小,残余应力越小。这是因为螺栓调节影响的综合结构面剪切刚度。当岩石的剪切模量很小,螺栓可以增加全面的结构面剪切刚度。当岩石的剪切模量大,螺栓可以减少综合结构面剪切刚度。

3.2。接触刚度比

接触刚度比 是正常的接触刚度的比值kn和切向接触刚度ks平行粘结线性群,即kn / k,这是一个无量纲的量。接触刚度比 需要分配只有当接触命令使用方法,和kn ks可以直接分配直接接触属性命令时使用,所以没有必要指定的接触刚度比 。PFC程序使用接触刚度比 自动计算正常刚度kn和两个接触的切向刚度ks粒子在软件通过公式(1)和公式(2): 在哪里一个接触面积和吗l是两个粒子的中心之间的距离。

接触刚度比 意味着接触模量 用于分发正常kn刚度和切向刚度ks。接触模量越大 ,正常的刚度越大,ks越小。越小 ,正常的刚度越小kn和切向刚度越大ks。通过控制变量的方法, 改变,接触刚度比率 被设置为0.5,1.0,1.5和2.2。进行了直剪试验的结构面模型与螺栓没有螺栓,和接触刚度的影响 对结构面力学行为的观察。岩体的直shear-simulated剪切变形曲线与螺栓接合如图4。相应的剪切刚度和剪切强度的接触刚度比得到如表所示5。接触刚度之间的关系比和剪切刚度和剪切强度是绘制如图5。


图4
螺栓的剪切变形曲线和粗糙的关节在不同接触刚度比率。
表5
接触刚度和剪切刚度之间的关系。

图5
接触刚度和剪切刚度之间的关系。

根据螺栓接头的剪切变形曲线在图4接触刚度比越大,越小直线段的斜率曲线的峰值之前,剪切刚度越小。接触刚度比值越小,越高的线性部分的斜率应力变形曲线。这是因为接触刚度比越大,越小的切向刚度ks粒子,粒子的减少切向刚度将反映结构面剪切刚度下降的宏观的。接触刚度比值越小,更大的残余应力和应变硬化特征越明显。

从表可以看出5和图5的剪切刚度随接触刚度的增加比率,和模型剪切刚度与接触刚度比例负相关。接触刚度比越大,剪切刚度下降越慢,这显示了非线性变化。不改变剪切强度与接触刚度比。

3.3。平行粘结系数

平行键模量是两个粒子之间的胶结在每个平行粘结模型;平行债券模量设置为0.01的绩点,0.3的绩点,3 GPa,和5 GPa而其他介观参数保持不变,然后螺栓接头的剪切变形如图6。通过分析不同平行键相对应的弹性模量模量、剪切刚度对应不同的接触模量,并行接触债券模量之间的关系,剪切刚度、和抗剪强度,如图7。


图6
螺栓接头的剪切应力变形曲线平行粘结系数不同。

图7
平行粘结系数之间的关系和剪切刚度和剪切强度。

根据螺栓接头的剪切变形曲线在图6平行粘结系数越小,越小的斜率线性段曲线峰值之前,和峰值强度越高,曲线峰值的尖锐。平行粘结系数越高,更高的线性部分的斜率在曲线峰值和峰值强度越低。峰后应变硬化发生,平行键模量增加。当剪切位移达到4毫米的附近,四个曲线经历不同程度的压力的突然降低,这是由于突然的脆性岩石的咬人。平行粘结系数越大,减压的程度就越大,相对应的剪切位移减压随焊模量的增加而减小。这表明键的强度保持不变;平行键模量越大,接触断裂产生的位移越小,债券增加的脆性联系。根据图7、平行粘结系数之间的关系和剪切刚度和剪切强度和剪切刚度平行焊接模量增加而增加,但增加的速率剪切刚度随平行焊接模量的增加而减小。增加并行的抗剪强度降低债券模量,抗剪强度随平行键模量的增加而减小。

3.4。平行粘结刚度比

平行键刚度比的意义 和接触刚度是相似的,平行键刚度比 刚度的比例吗 对粘结切向刚度 ,即 ,。联系方法时,需要指定值平行键刚度比 ,PFC软件使用公式(3)和(4)计算粘结刚度和切向刚度: 在哪里l是两个粒子的中心之间的距离。

通过控制变量的方法来控制其他介观参数相同,只有平行键刚度比 是改变,分别设置为0.5,1.0,1.5和2.2。剪切应力峰值对应于不同的债券获得刚度比率,和债券刚度之间的关系比和峰值剪切应力如表所示6。图8表明债券刚度比并没有太多影响变形和应力曲线,即粘结剂对成键和切向刚度模量有影响,但几乎没有影响的整体剪切刚度模型,应力变形曲线相似在弹性阶段基本重合。我们可以看到从债券刚度之间的关系比和峰值剪应力图9,剪切应力峰值随债券刚度比的增加,峰值剪应力和下降率降低,增加债券刚度比,这往往是平的。如果债券模量不变,债券刚度比例减少,即债券切向刚度增加。结果表明,增加债券的切向刚度会影响抗剪强度,提高抗剪强度。

表6
债券刚度比和峰值剪切应力之间的关系。

图8
剪切应力变形曲线的螺栓接合不同粘结刚度比率。

图9
债券刚度比和峰值剪切应力之间的关系。

4所示。结论

(1)剪切刚度和接触模量是线性正相关。螺栓接合的接触刚度比率越小,更大的残余应力和应变硬化特征越明显。剪切刚度随接触刚度比的增加而减小。接触刚度比的影响在模型中裂缝的数量是正的,但相关性较弱。(2)剪切刚度随平行键模量的增加,但增加的速度剪切刚度随平行键模量的增加而减小。应变硬化特征与平行的增加增强债券模量。(3)剪切应力峰值随债券刚度比的增加,和降低率随债券刚度比的增加而减小。债券刚度比例也影响裂缝的数量,但是效果远低于平行的债券模量。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文由湖南省自然科学基金项目支持的中国(2019 jj50031和2018 jj2500)。作者希望承认这种支持。