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岩石闭合裂纹扩展机理研究

王琪  
【摘要】:天然岩体中的节理或裂隙在压剪应力状态下是以闭合的状态存在着的。研究闭合裂纹在不同摩擦系数影响下的起裂、扩展以及贯通的规律对含裂隙岩质边坡的失稳破坏、深部采矿以及放射性物质的深埋等诸多岩石工程领域都有十分重要的意义。本文基于断裂力学理论和材料强度理论对压剪应力状态下裂纹的扩展进行了研究,并使用APDL编写命令流的形式在考虑裂纹面接触摩擦效应的影响下对受压状态下闭合裂纹的起裂、扩展以及贯通进行了一系列的数值模拟,并得出了以下几点结论:(1)含闭合斜裂纹平板模型在单轴压缩应力作用下,张拉裂纹的起裂角随裂纹面摩擦系数的增大而减小,其扩展轨迹曲线的曲率越来越小;(2)含闭合斜裂纹平板模型若在较高压缩应力水平作用下,剪切裂纹开始起裂,其扩展形式属于失稳扩展。同一倾角的闭合裂纹在受压作用下,摩擦系数越大,张拉型裂纹起裂和扩展越困难,而试样的破坏逐渐转变为以剪切裂纹扩展为主。当摩擦系数达到某一值时,张拉裂纹不起裂,此时在荷载增加下,试样的破坏过程完全以剪切裂纹扩展呈现。(3)随着摩擦系数的增大,剪切裂纹在起裂和扩展过程中会造成张拉裂纹闭合进而导致其止裂,最终剪切裂纹的扩展主导试样失稳破坏。(4)在不同岩桥倾角下平行裂纹贯通的形式不同。岩桥倾角越小时裂纹的贯通只由剪切裂纹的扩展导致,当岩桥倾角增大时,裂纹的贯通由剪切裂纹和张拉裂纹共同导致,当岩桥倾角继续增大到某一值时,裂纹的贯通只由张拉裂纹的扩展导致。(5)双轴受压作用下,闭合裂纹的倾角越小时,则受围压的影响越大导致其张拉裂纹的扩展长度变短。随着摩擦系数的增大,张拉裂纹的扩展停止,特别是剪切裂纹开始扩展时,张拉裂纹闭合并止裂。此时剪切裂纹主导试样破坏。当摩擦系数增大到某一定值时,剪切裂纹代替张拉裂纹最先起裂。


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