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多裂隙岩体的破坏机理试验及数值分析研究

王利戈  
【摘要】:多裂隙岩体的破坏机理与裂隙扩展机制是岩土工程领域重要的研究课题,许多岩土工程的破坏失稳都与岩体中裂隙在受到外力作用下扩展贯通及相互作用有关,但目前的研究工作还有诸多不足之处。因此,研究多裂隙岩体的破坏机制一直是岩体断裂力学的热门课题。以往的工作为了简化研究难度,大都采用假设或者利用平面代替三维的方法,但是现实中的裂隙岩体都为三维的,所以至今多裂隙岩体的三维问题没有得到很好的解决。有鉴于此,多裂隙岩体的断裂机制和破坏机理的研究具有十分重要的理论和现实意义 由于在真实岩石内部尚无法制作多裂隙试件进行裂隙扩展试验,因此研究多裂隙岩体破坏机理需要采用试验验证与数值模拟相结合的方法。试验验证方面,根据相似材料原理,采用岩石的相似材料制备多裂隙岩体试件。同时由相似材料制备的试件具有与岩石相似的力学特性,脆性岩石的一个显著特点需要较高的拉压比,因此制备的内置多裂隙试件尽量符合脆性材料的主要特征。本文采用的类岩石脆性材料由树脂与固化剂及促进剂组成,调配出的高脆性材料常温下拉压比就能达到1/5以上。与前人的同类脆性材料相比,脆性显著提高。为了全程观察到多裂隙岩体试件裂纹扩展的过程,配制出的材料需要具有良好的透明度。 研究了透明脆性材料在单轴和双轴加载试验下三维裂隙萌生,扩展与贯通的过程,根据应力应变特征曲线,多裂隙岩体的破坏过程分为四个阶段,试验结果表明,与二维裂纹扩展相比,三维裂纹扩展现象更加复杂,与单轴条件下裂纹扩展相比,双轴条件下的裂纹扩展更加复杂。 数值模拟方面,首先介绍了数值分析软件FLAC3D的基本原理,弹脆性损伤模型及演化方程等相关知识,利用FISH语言自行开发程序,模拟了内置三维多裂隙试件裂纹萌生,扩展,贯通及破坏过程。分析了在单轴压缩和双轴压缩模拟条件下不同裂隙数量和裂隙错距试件的起裂和贯通时对应的应力,时间及各类试件强度比较。利用试验验证和数值模拟方法研究三维裂隙试件的裂隙扩展过程基本揭示了多裂隙岩体的破坏机理,加深了岩体工程领域对多裂隙岩体失稳的认识,对以后深入此类问题的研究提供了相应的技术支持。


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