含裂隙岩石破坏过程及相关规律的数值模拟研究

摘要

含裂隙岩石的破坏过程、裂纹扩展规律及强度分析是岩土工程中一个重要的研究领域。在外力作用下岩石中裂隙的相互作用及扩展贯通导致许多工程事故的发生，尽管不少学者用理论推导、现场试验、经验总结及数值模拟对裂隙岩体问题做了大量的研究，但研究工作还尚有不足之处。因此研究裂隙岩石在外力作用下的破坏过程、裂纹扩展规律及强度分析显得尤为重要。本文运用RFPA数值软件对裂隙岩石破坏过程进行研究，研究结果为隧道开挖及地下巷道支护提供一定的参考。并且得出以下几点结论:
　　(1)在单轴压缩下，裂隙岩石的破坏受裂隙长度、裂隙倾角、裂纹面的摩擦系数及裂隙距岩石边界距离的影响。裂隙岩石的强度随着裂隙长度的增大而减小;随着裂隙倾角的增大先减小后增大，在裂隙倾角为45°时达最小值;随着裂纹面的摩擦系数的增大而增大;随裂隙距边界距离的增大而增大。
　　(2)裂隙数目、裂隙间距及交叉裂隙的的几何分布都会对岩石强度造成一定的影响。对于含有平行裂隙岩石强度会随着裂隙数目的增加而降低，随着裂隙间距的增大而增大;对于含交叉裂隙岩石的强度都会受主次裂隙之间的夹角的影响，且大部分含交叉裂隙岩石强度都要高于含单一裂隙岩石的强度。
　　(3)多裂隙岩体的破坏过程较单裂隙岩石破坏要复杂的多，其破坏过程包含拉伸破坏、拉剪破坏及剪切破坏的综合;随着裂隙数量的增多，应力应变曲线跌落次数会增加，这是因为受裂隙间岩桥的搭接、贯通及裂纹面的滑移影响。
　　(4)裂隙会影响巷道的破坏及围岩稳定性。裂隙倾角不同，巷道破坏形式不同，且巷道围岩位移量随裂隙倾角的不同而不同。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的来源及背景

1．2 研究目的

1．3 国内外的研究动态

1．3．1 理论强度准则

1．3．2 岩体的力学实验研究

1．3．3 节理裂隙岩体本构模型

1．3．4 数值模型研究

1．4 存在的问题

1．5 主要研究内容

1．6 拟解决的主要问题及技术路线

1．6．1 拟解决主要问题

1．6．2 技术路线

2 岩石试件室内实验研究及数值模拟论证

2．1 工程岩体原位试验

2．2 岩石试件的获取与室内试验

2．2．1 完整岩石试件制取与加工

2．2．2 含单一裂隙岩石试件的获取

2．3 岩石试件室内试验

2．3．1 试验设备与试验方法

2．3．2 完整岩石试件的室内试验

2．3．3 含单一裂隙岩石试件室内试验

2．4 RFPA数值软件简介

2．4．1 RFPA2D软件概述

2．4．2 网格划分

2．4．3 基元赋值

2．4．3 应力计算

2．4．4 相变分析及程序主要流程图

2．5 RFPA数值试验对岩石强度细观参数的确定方法

2．5．1 完整岩石试件室内试验的数值实现

2．5．2 完整岩石试件细观参数的确定

2．5．3 完整岩石试件数值拟合试验

2．5．4 单一裂隙岩石试件的数值拟合试验

2．6 本章小结

3 单一裂隙岩石在单轴压缩下的破坏分析及数值模拟研究

3．1 基于单轴压缩下单一裂隙岩石的滑动裂纹模型

3．1．1 概述

3．1．2 滑动裂纹模型

3．1．3 滑动裂纹扩展模型

3．2 单一闭合倾斜裂隙岩石的破坏机制

3．2．1 岩石试件的破坏机理分析

3．2．2 裂隙长度、裂隙倾角为常数时，裂隙裂纹面摩擦系数对岩石强度的影响

3．2．3 裂纹面摩擦系数、裂隙长度为常数时，裂隙倾角对岩石强度的影响

3．2．4 裂隙倾角、摩擦系数为常数时，裂隙长度对岩石强度的影响

3．3 单轴压缩下单一裂隙岩石试件破裂过程的数值模拟研究

3．3．1 模型建立

3．3．2 数值模拟结果与分析

3．4 本章小结

4．多裂隙岩石破坏过程及强度分析数值模拟研究

4．1 两条平行裂隙试件破坏分析及裂纹扩展特征

4．1．1 两条平行裂隙试件模型分布设计

4．1．2 数值模型建立及结果分析

4．1．3 两条平行裂隙间距对岩石破裂过程及强度的影响

4．2 两条交叉裂隙岩石试件破坏分析及裂纹扩展特征

4．2．1 两条交叉裂隙模型分布设计

4．2．2 两条交叉裂隙数值模型建立及结果分析

4．3 大尺寸裂隙岩体破裂过程分析及其强度的预测

4．3．1 数值计算中尺寸效应的研究

4．3．2 大尺寸多裂隙岩体破裂过程分析及强度预测

4．4 本章结论

5 裂隙对巷道破坏及围岩稳定性的影响

5．1 模型建立

5．2 数值模拟结果分析

5．2．1 不同裂隙倾角巷道破坏分析

5．2．2 不同裂隙倾角巷道围岩位移量分析

5．2 本章小结

6 主要结论与不足

6．1 主要结论

6．2 存在的不足

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果