横观各向同性岩体巴西劈裂试验理论及工程应用研究

【摘要】在岩质边坡工程中,由于存在大量的层理、断层和节理等不连续的结构面,岩体拉伸断裂失稳较一般边坡复杂。目前,岩石抗拉强度的室内测定方法一般采用直接拉伸法和劈裂法。岩石试件拉伸试验中,由于夹持及保证拉伸荷载轴线与试样轴线重合具有一定困难,采用直接拉伸方法进行岩石抗拉强度测试相对较少,而更为普遍的是采用劈裂法(即巴西试验法)间接测定岩石的抗拉强度。本课题结合国家自然科学基金(50878213)、湖南省交通科技项目(200924)和湖南省研究生创新项目(CX2012B057),依托怀化至通道(怀通)高速公路工程,以板岩为研究对象,巴西劈裂试验为手段,结合理论分析方法,展开了横观各向同性岩体弹性参数、抗拉强度、破坏准则、本构关系和边坡拉裂破坏及稳定性分析几个方面的研究。其主要成果如下：1)在矿物成份分析的基础上,利用电子显微镜观察了板岩的微观结构和胶结类型；采用单轴仪和三轴仪分别测试了不同层理角度下板岩的抗压强度和抗拉强度,得到了不同层理角度下强度的分布曲线,揭示了强度与层理角度之间的关系及产生的机理。2)巴西劈裂试验为手段,测试了横观各向同性岩体的5个弹性参数,将试验测得的5个弹性参数与圣维南经验公式对比,验证了横观各向同性体5个弹性参数是相互独立,且不存在函数关系。3)基于圆盘各向异性平面弹性理论,采用傅里叶级数变换,求解了平面各向异性圆盘应力场和强度因子,并推导了由5个弹性参数和层理角度组成的各向异性圆盘强度因子表达式,分析了不同参数取值对强度因子的影响,得到了强度因子随参数变化的趋势。4)根据层状岩体巴西劈裂圆盘平面应力的弹性力学解析解,并结合单弱面理论和Hoek-Brown强度准则,分别建立了不同层理角度与强度关系式。劈裂试验结果和强度拟合曲线较吻合,这两种强度准则下建立的关系式可以较好地反映出在含有层理面时巴西劈裂试验抗拉强度随结构面倾角变化的规律。探讨了横观各向同性岩体劈裂试验的几种破坏模式,即当0°≤β<25.2°或72.6°<β≤90°时,属于纯拉伸破坏；当25.2°≤β≤72.6°时,属于沿层面剪切破坏5)基于弹性理论,结合数值方法,研究了各向同性圆盘的厚径比、泊松比和加载角度对巴西劈裂试验的影响,比以往用弹性平面法解决圆盘应力场问题更加接近实际情况,并且得到了巴西劈裂试验圆盘合理的厚径比和加载角度。以改进的Hoek-Brown模型较好的实现了横观各向同性体破坏准则在巴西劈裂试验中的应用。6)推导了滑移-拉裂和倾倒-拉裂层状岩质边坡抗滑稳定的上限解。分析了岩体重度、边坡高度和边坡坡脚对滑移-拉裂边坡稳定性的影响,得到了稳定系数随边坡参数变化的曲线。同时,探讨了倾倒-拉裂层状岩质边坡的破坏机理,分析了不同区域的稳定状态,明确了倾倒-拉裂层状岩质边坡产生的原因。图80幅,表27个,参考文献202篇
【作者】刘运思；
【导师】傅鹤林；
【作者基本信息】中南大学，交通运输工程，2013，博士
【关键词】巴西劈裂试验；横观各向同性岩体；抗拉强度；强度因子；弹性参数；破坏准则；本构关系；边坡；

【参考文献】
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