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裂隙几何特征对岩体力学性质及裂纹扩展规律影响的试验研究

韩健  
【摘要】:裂隙岩体强度和变形特性受裂隙几何特征及应力条件的影响,其失稳破坏也大都是由岩体内部裂隙面的扩展、汇合贯通引起的。本文以含预置张开裂隙的纯水泥试件作为类岩石材料模拟脆性岩石,通过室内单轴压缩试验和常规三轴压缩试验,系统地研究裂隙几何特征(倾角、间距、贯通率、张开度、组数和形态)及围压对裂隙岩体力学参数的影响;同时运用Vic-3D非接触式全场应变测量系统和FLAC3D有限元数值模拟软件,分析单轴压缩条件下岩体的裂纹扩展规律。本文主要工作和研究成果如下:(1)裂隙岩体的力学特性和裂纹扩展机理分析。结合裂隙几何特征和岩体破坏过程,对裂隙岩体的力学本构模型和裂纹扩展机理进行了理论分析。(2)通过大量单轴压缩试验和部分三轴压缩试验,研究了不同裂隙几何特征及围压对裂隙试件峰值强度和弹性模量的影响。单轴压缩条件下,试件峰值强度随裂隙倾角的变化规律大致呈V型,弹性模量随裂隙倾角变化从0°到90°基本呈递增趋势,在强度最低点出现轻微回落;围压条件下,试件峰值强度和弹性模量随裂隙倾角的变化规律与单轴压缩情况类似,但强度最低点由单轴压缩时的45°变为30°。通过分析自定义的岩体力学参数折减系数随裂隙几何特征变化规律的拟合函数曲线,推测岩体力学参数对不同裂隙特征的敏感程度从大到小可作如下排列:组数间距贯通率张开度形态。从试件破坏形态来看,单轴压缩条件下试件多为脆性张拉破坏或拉剪混合破坏;在围压条件下试件均为剪切破坏,且残余强度明显增大表现出一定的塑性,其中部分试件出现二次破坏现象。(3)借助Vic-3D应变测量系统和FLAC3D数值模拟软件,分析了试件在单轴加载过程中的裂纹扩展规律。发现有拉伸裂纹、剪裂纹、翼裂纹与反翼裂纹四种形态裂纹,且以翼裂纹发育为主。裂隙尖端应力集中引起次生裂纹发育并沿近似加载方向扩展,在相邻裂隙之间或裂隙与自由面之间汇合贯通切穿岩桥,最终导致试件破坏。


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