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单轴压缩下类岩体裂隙材料断裂破坏机制的实验研究

蒲成志  
【摘要】:本文针对含节理裂隙岩体的压缩断裂性质,对含贯通裂隙的类岩体材料采用进行单轴压缩实验,并对其破坏过程和机理进行了较为全面和深入的研究和分析,了解并掌握裂隙在压缩条件下的主要断裂规律。 首先,采用与自然岩体相类似的水泥砂浆材料模型,通过试件养护初期拔出预埋插片的方法制作不同空间分布状态的贯通裂隙模型试样,借助于新三思电液伺服控制试验机,配合DCS—200操作软件,在200N/S的力控加载速度下,对养护好的模型试件进行单轴加载试验,并用数码设备观测、记录实验过程中含裂隙试样预制裂隙表面分支裂纹的扩展、贯通过程。 其次,结合FLAC3D数值分析程序,基于本次试验材料建立应变软化模型,对实验过程中发现的新的实验现象进行研究,并对实验结果分析所得的变化规律进行进一步的分析。结合实验结果,从数值模拟的角度上分析、总结含裂隙模型的破坏过程与机理。 最后,基于自己在研究过程中的所得与认识,对此研究领域内的发展方向提出了自己的观点和看法,以助后续研究工作的顺利进行。 本文的主要研究成果包括: (1)应用滑动裂纹模型,定量解释了预制裂隙倾角影响下,裂隙尖端应力分布状态变化规律,并考虑裂隙面摩擦作用,推导出了单轴压缩下裂隙尖端应力强度因子计算公式。 (2)根据裂隙尖端渐进应力场理论,研究了水平裂隙在单轴压缩条件下的力学响应机理。压缩条件下,水平裂隙尖端的应力集中现象仍然存在,但是其与裂隙面的相对张开度有关,随着裂隙相对张开度的增大,应力集中现象越来越弱,研究发现,裂隙相对张开度为0.005时,裂隙尖端的应力集中现象开始显现,根据裂隙尖端应力集中现象由强到弱的变化,试件依次呈现出裂隙尖端受压屈服破坏和裂隙中部材料张拉破坏两种破坏模式。 (3)预制裂隙倾角在影响裂隙试件发生破坏时起主导作用,裂隙的分布状态,影响着裂隙尖端微裂纹的发育、贯通模式。 (4)两条裂隙试件发生破坏时,根据预制裂隙倾角的不同,依次表现出单裂隙贯通破坏、两条裂隙贯通破坏和无裂隙尖端微裂纹破坏;根据岩桥倾角的不同,试件发生两条裂隙贯通破坏时,又可以分为:拉伸破坏、剪切破坏和拉剪复合破坏。 (5)有序多裂隙试件发生破坏时,裂隙倾角为某一角度时将达到强度最小值。裂隙为张开裂隙时,此角度为45°,为闭合裂隙时,此角度要比45°小,减小角度值为裂隙面摩擦角的一半。在这一角度基础上,预制裂隙倾角增大(或减小)时,试件强度都将增大;倾角减小时,强度增大量有限;倾角增大时,强度增大速率随着角度的增大而增大,直至接近这类材料制作的完整试件强度值。


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