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基于能量原理的节理岩体裂纹扩展试验研究

赵幸  
【摘要】:大量工程实践表明,岩质边坡、地下硐室等岩石工程的失稳均与岩体内部发育的节理密切相关。应力环境改变时,节理端部产生应力集中,裂纹开始起裂-扩展-贯通,并最终形成破裂面,导致岩体失稳破坏。因此,研究节理岩体裂纹的力学行为及裂纹间的相互作用,就显得尤为重要。传统的弹塑性力学在研究岩体变形破坏过程中的力学响应存在局限。事实上,岩体的破坏本质上是能量耗散和释放的结果,运用能量观点分析岩体变形破坏过程,是一种行之有效的方法。本文选用与岩石性质近似的相似材料,设计包含不同张开节理组合的岩体模型,采用双轴压缩、循环加卸载试验方法,探讨裂纹扩展过程与能量演化规律。主要开展了以下几方面的工作: (1)选用重晶石粉、石英砂、石膏、水泥等材料模拟与岩石性质近似有明显脆性特征的相似材料,设计代表缓倾角、中倾角、陡倾角的单节理岩体模型,代表空间几何分布特征为共线、不共线及不共线重叠,以及不同连通率的双节理岩体模型。 (2)采用岩石力学多功能试验仪,研究节理岩体强度与变形特征。双轴压缩应力状态下,应力应变曲线分为四个典型阶段:①小变形弹性阶段;②弹性阶段;③微破裂稳定发展阶段;④非稳定破裂发展阶段。双轴循环加卸载状态下:①随着循环次数的增加,应力应变曲线由密到疏,回滞环间距越来越大,回滞环与加卸载曲线所围成的面积越来越饱满;②两测点应力应变曲线整体变化规律相同,但不重合;③竖向应力小于11.0MPa时,多数试件的应力应变曲线表现出近似直立的特征,但随着循环次数的增加,此现象消失;④破坏之前的几次循环中,应力应变曲线出现了应变滞后的现象;⑤当σ1-σ3小于某个值时,竖向应变为负值横向应变为正值,表现为试件竖向上受拉而横向上受压的状态,随着循环次数的增加,此现象消失。 (3)节理岩体的起裂角受节理倾角、岩桥倾角、围压、岩桥长度等因素影响。循环加卸载试验的起裂角比常规双轴压缩的起裂角大;单节理试件起裂角在80-110°之间,双节理试件起裂角在65-105°之间。起裂应力均为峰值应力的70%-90%之间。 (4)节理岩体裂纹扩展模式受节理倾角、岩桥长度、围压与节理空间组合等因素影响。根据裂纹扩展路径及裂面性质,将单节理岩体的贯通模式分为:张性贯通、张剪复合贯通、剪切贯通三大类及八亚类;将双节理岩体岩桥贯通模式分为:剪切贯通、张剪复合贯通两大类及八亚类。节理倾角与空间几何分布特征对贯通破坏模式影响较大;岩桥长度有一定的影响;侧压影响并不明显。 (5)节理岩体裂纹扩展-贯通-破坏过程与能量演化过程有一定的相关性。加载过程中能量演化规律:①能量(总吸收能、可释放弹性能、耗散能)演化曲线总体呈现非线性增长;②增长速率由小变大,曲线斜率逐渐增大并稳定;③加载前期可释放弹性能密度大于耗散能密度,而破坏时耗散能密度出现陡增现象,其值超过可释放弹性应变能密度。加载过程中能量分配规律:①耗散能比例随着循环次数的增加总体呈增大趋势,可释放弹性能比例相反;②加载前期,弹性能比例多高于耗散能比例,也有二者比例相当的情况,甚至出现耗散能比例大于弹性能比例的情况。不同节理几何形态及应力状态下的节理试件都有不同的极限储能。


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