摘 要

层状岩石在自然界中广泛存在，也是采矿工程、土木工程、水电工程中常见的一种材料，其力学特性对这些工程的安全稳定性有重要影响。以某玉石矿层状岩石为研究对象，现场取样加工后，开展了单轴压缩、剪切与纵波传播试验，研究了层状岩石的力学特性，构建了相应的力学模型。取得的主要成果有：

（1）层状岩石在单轴压缩、剪切、纵波传播试验的过程中，均表现出明显横观各向同性，且现象明显。

（2）单轴压缩试验结果分析，层状岩石单轴抗压强度具有明显的各向异性特征，与加载方向垂直于层理面的抗压强度相比，平行于层里面的抗压强度较小，而两者的弹性模量的大小比较恰好相反，并且加载方向垂直于层理面的弹性模量与平行于层理面方向的比值为1.083，岩石比较坚硬；剪切强度测试中，当加载方向与岩样层理面平行时和加载方向垂直于层理面时，破坏模式不同；纵波测试结果显示，传播方向垂直于层理面的波速为平行时的88%，而且出现较小振幅，在波形衰减过程中，最后的波形传播不完整，同时含水情况也影响岩石的力学特性。

（3）与层理面不同加载方向下的单轴压缩数值模拟相比，垂直于层里面方向的试样变形最大，单轴抗压强度大于平行层理面的抗压强度；剪切试验中的应力和变形在ABAQUS/standard中得到了较好的反映，通过室内试验的模拟得出了所建模型的正确性，同时与Mohr-Coulomb相比，所建节理材料模型更适合层状岩石力学特性分析。

关键字: 层状 模型 力学特性 各向异性

Abstract

Due to the layered rocks in nature is widespread and in mining engineering, civil engineering, hydropower engineering significantly affected, but the current research on the mechanical properties of layered rock is still lacking, therefore, Taking a jade mine layered rocks test samples in order to study the mechanical properties of layered rock. So this paper mainly analyzed from the following four aspects, and concluded:

1. Stratified rock in uniaxial compression, shear, longitudinal wave propagation process of trial, showed a significant cross - isotropic, and the phenomenon is obvious.
2. Uniaxial compression test results analysis, the layered rock uniaxial compressive strength has obvious anisotropy characteristics, loading direction perpendicular to the bedding plane elastic modulus and parallel to the bedding planes of the ratio is 1.083, and the rock is hard; shear strength test, when the loading direction and the rock bedding plane parallel and loading direction vertical to bedding plane and different failure modes; test results of longitudinal wave display, propagation direction vertical to bedding plane wave velocity parallel 87.1% and low amplitude, coda wave development, also water also affects mechanical properties of rock.

(3) Uniaxial loading in different directions under the bedding plane compression displacement value compared to the maximum vertical deformation of the specien, which results in the layer direction in line with similar findings; shear test of stress and deformation in ABAQUS / standard of to better reflect the results in laboratory tests to verify the results of the same, while compared with the Mohr-Coulomb, the joint construction material model is more suitable for analysis of layered rock mechanical properties.

Keywords: Anisotropic Modern Mechanical Properties

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内外对层状岩石力学性质的研究 1

1.2.2 层状岩石模型构建研究现状 2

1.3 研究的主要内容 3

第2章 层状岩石力学性质的实验设计 5

2.1 实验概述 5

2.2 试验前期准备 5

2.2.1 试验材料准备 5

2.2.2 试验方案设计 6

第3章 层状岩石正交各向异性特征分析 9

3.1 单轴抗压试验分析 9

3.1.1 试验数据分析 9

3.1.2 破坏形式分析 9

3.1.3 应力应变曲线分析 10

3.2 剪切强度试验分析 11

3.2.1 数据分析 11

3.2.2 破坏模式分析 12

3.3 纵波试验结果分析 14

3.3.1 数据分析 14

3.3.2 图像分析 14

第4章 层状岩石力学特性模型构建分析 17

4.1 引言 17

4.2 模型介绍 17

4.3模型参数设定 19

4.4 模拟试验 19

4.4.1 单轴压缩试验模拟 19

4.4.2 剪切试验模拟 20

4.5 小结 22

第5章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

在现阶段研究中，一般把岩石假设为均等材质且各方向性质相同的弹性或者弹塑性材料进行研究。这种研究方法虽然将模型简单化，有助于分析求解，在很多方面解答出了很多的工程问题。但岩石所具有的各向异性特征及求解时所采用的各向同性弹性理论假设往往出入很大，主要是未考虑到岩体的非均质性以及各向异性，难以较为真实的反映工程实际中的岩石力学问题。因此，我们必须对岩石的各向异性做深入的研究，以便于寻求最合适的理论模型。

层状岩石最主要的特征是在力学特点上表现出各向异性特点。它属于沉积岩，由物质经过沉积作用而形成，广泛存在于自然界中。层状岩石在长时间沉积积存的过程中形成的一些占绝大优势的结构面，而且此种结构面被称为其优势结构面。沉积岩的优势结构面大多为岩层中不同物质的分界面，较为显著的表现在层状岩石中。正是因为这种层理面，改变了岩石的力学特性，因而其在载荷过程中表现出明显的各向特性。这种层理面的主要特征表现在：与层理面平行的方向，岩石组分差异不大，主要出现相同的力学和变形特性；与层理面垂直方向上，则相对复杂，在受到载荷的过程中表现出的力学特性也是不同。

岩石的各向异性特征在工程实践中的作用也十分重要，岩石在加载过程中各向异性特征表现明显，对岩石的变形破坏影响十分显著。在采矿工程中，岩石的各向异性特征对凿岩、钻探炮孔、爆破效果都产生不同的影响；在土木工程方面，岩石的各向异性特征影响地下工程的凿岩工作，并且还影响周边围岩的稳定性；在水利工程方面，岩石的各向异性对坝提围岩的破坏和稳定性同样产生较大影响。因此，加强对岩石各向异性的研究意义重大。

1.2 国内外研究现状

各向异性特征是岩石的重要特征。针对岩石的各向异性特征，国内外做了大量的研究。本文主要从层状岩石的力学性质、层状岩石的模型构建两方面来论述当前国内外对岩石各向异性的研究现状。

1.2.1 国内外对层状岩石力学性质的研究

对层状岩石的力学性质的研究开始于六十年代，当时主要研究层状岩石弹性参数，但是在现阶段，对层状岩石的研究已经变得很广泛了。