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贯穿裂隙岩体峰后变形破坏特性的试验研究

汪雷  
【摘要】:天然岩体本身就含多组不规则裂隙,工程中洞室开挖后,其周边通常会产生许多贯穿裂隙,贯穿裂隙的存在,不仅使围岩的各向异性十分显著,同时造成了围岩的不连续性,使围岩的强度降低,变形破坏更加复杂,直接影响洞室围岩的稳定。深部岩石工程中裂隙岩体峰后碎裂变形破坏行为,一方面引起了围岩破裂,另一方面也影响和改变了其周围的应力场。尽管围岩破裂,但破裂后的围岩在地应力或锚固作用下其周围应力场发生改变,仍然会形成与破裂相适应的稳定状态。因此分析裂隙对于岩体的稳定性和破坏性质的关系,着重分析含不同倾角贯穿裂隙岩体的峰值强度破坏之后的变形和破坏的性质,对峰后破坏的岩体进行加固保持其稳定性找寻合适对策有较强现实意义。 本文采用室内试验方法进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验,研究不同倾角贯穿裂隙岩体峰后变形破坏的性质,并用经典岩石力学理论和数值模拟方法进行分析比较,得出裂隙岩体峰后变形破坏的性质,对岩石力学的相关理论具有较直观的试验验证,对深部岩石工程的洞室开挖的围岩稳定性的预测、锚固和事故分析起到一定参考价值。主要成果有: (1)通过单轴压缩试验研究,得到不同倾角贯穿裂隙岩体的全应力一应变曲线,得出不同倾角裂隙岩体峰值强度、泊松比、弹性模量、峰后视泊松比、体积变形等结果,其试验结果与岩石经典力学理论分析结果吻合很好,并且试验研究更为直观。做了多组不同的倾角的贯穿裂隙岩体试件单轴压缩试验,得出贯穿裂隙倾角对裂隙岩体峰后的破坏和变形特性影响较大。 (2)通过常规三轴压缩试验研究,得出不同倾角裂隙岩体在不同围压下的全应力-应变曲线,得出贯穿裂隙倾角和围压大小对岩体破坏形式的影响以及对峰后变形特性的影响。在不同的围压下对不同倾角贯穿裂隙岩体试件做三轴压缩试验,较好的模拟了地下硐室开挖时地应力对围岩稳定性的影响。 (3)基于Mohr-Coulomb强度准则,建立含一条不同倾角贯穿裂隙岩体破坏强度的本构关系,得出裂隙面倾角、岩石力学参数、裂隙力学参数、围压以及轴压几者之间共同影响裂隙岩体强度的相关规律。基于试验数据,根据裂隙岩体在不同围压和裂隙倾角时的不同峰后特性,将其峰后应力-应变关系简化为TYPE-A和TYPE-B两种类型,以应变作为应变软化参数,假设粘聚力,内摩擦角为应变的分段线性函数条件,给出裂隙岩体的峰后应力-应变关系式的求法。 (4)在ANSYS中建立模型,导入FLAC3D软件中对以上的室内试验进行数值分析。对贯穿裂隙面采用结构面的处理方式,将改进后的裂隙岩体峰后特性的应力应变关系写进FISH语言,最后进行数值计算。数值分析得出的峰值强度、峰后应力应变曲线、破坏过程等随着倾角变化的规律与室内试验的结果有很好的相似度,说明建立的裂隙岩体峰后的应力应变关系结合FLCA3D能较好的对裂隙岩体峰后破坏变形性质进行模拟。


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