不同角度单裂隙类岩石强度及蠕变性能研究

摘要

天然裂隙岩体属于自然地质作用形成，取样相当困难，因此以水泥、河砂为相似材料做成标准的类岩石试件作为研究对象，通过单轴、三轴破坏实验，单轴、三轴循环加卸载实验，单轴、三轴蠕变加卸载实验，冻融循环实验对其物理性参数、强度、蠕变特性及破坏方式进行研究，分析冻融破坏形式及冻胀机理，并以上述为基础，利用有限元ABAQUS软件进行巷道的蠕变模拟。 通过相似三定理说明了利用相似材料制作类岩石试件的可行性，利用河砂、水泥和水为原材料，通过自制圆柱体模具做出裂隙试件，配制不同角度的相似材料试件为后续的试验做好准备。 对试件进行单轴压缩试验、三轴压缩试验和劈裂试验得出以下结果：单轴抗压强度随裂隙角度的增加显著增加，弹性模量随角度增加逐渐增加，泊松比随角度的增加反而减小；摩擦角和内聚力随角度的增加显著增加；90度裂隙试件的抗拉强度最小，完整试件抗拉强度最大。 通过对裂隙试件进行单轴及三轴循环加卸载试验得出以下试验结果：试件的加卸载斜率并不相同，卸载过程斜率较高，无论单轴加卸载或三轴加卸载情况下，随着循环载荷的增加，滞回环的面积逐渐增加，能量耗散逐渐增加，从损伤力学角度来讲对试件造成损伤的程度也就越大。 岩石体积模量决定着冻胀力的大小，体积模量越大，相同冻结阶段孔隙内冻胀力越大，岩石体积模量与最大冻胀力呈非线性的正相关关系，且随着模量的增加，最大冻胀力趋向于一特定值，0度裂隙试件更容易损伤破坏，90度裂隙试件比0度裂隙试件更能承受冻胀力。 通过对单轴蠕变、三轴蠕变、围压卸载、轴压加载蠕变试验分析，采用数值分析软件ABAQUS对含裂隙巷道与不含裂隙巷道进行数值模拟，通过变形云图和应力云图发现巷道顶部区域和底板处应力较高、变形明显，与工程结合则是顶部容易出现脱落现象，底板容易出现底鼓现象，是巷道开挖应该注重支护地方，如果开挖过程中遇到顶部有裂隙工程，在支护时更应重点应对。

目录

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1绪论

1.1课题来源、研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1裂隙岩体强度特性研究现状

1.2.2岩体蠕变特性研究现状

1.3论文的主要研究内容

2相似材料选取及试件制作

2.1相似理论

2.1.1相似三定理

2.2相似试件制备

2.2.1相似材料的选择

2.2.2模具设计

2.2.3试验工具

2.3试件的制作方法

2.4本章小结

3常规条件下单裂隙试件力学性能研究

3.1试验设备

3.2裂隙试件的单轴压缩破坏试验研究

3.2.1试验内容与具体步骤

3.2.2 试验数据处理及分析

3.2.3 结果分析

3.2.4裂隙试件强度模型和破坏方式分析

3.3裂隙试件的抗拉强度试验研究

3.4裂隙试件的三轴压缩破坏试验研究

3.4.1试验内容与具体步骤

3.4.2试件结果处理及分析

3.4.3 试验数据处理

3.5本章小结

4单裂隙试件加卸载强度性能研究

4.1理论分析

4.1.1损伤力学

4.1.2反复加卸载曲线分析

4.1.3应力应变曲线形态的类型

4.2裂隙试件加卸载试验

4.2.1试验方案与具体步骤

4.2.2单轴试验结果处理及分析

4.3恒定围压轴压加卸载试验

4.3.1试验内容与具体步骤

4.3.2三轴试验图像处理及分析

4.4结果分析

4.5本章小结

5冻融循环下裂隙试件强度特性试验研究

5.1理论分析

5.1.1类岩石试件冻结过程冻胀力

5.1.2冻胀力计算模型（裂隙不扩展条件下）

5.1.3孔隙等效体积模量的计算方法

5.1.4岩石弹性模量和冻胀力关系（裂隙不扩展条件下）

5.2试件及仪器准备

5.2.1试件冻融循环仪器

5.2.2裂隙试件试验方案

5.3单轴试验

5.3.1不同孔隙率单裂隙试件试验

5.3.2不同冻融循环次数单轴压缩试验

5.4本章小结

6单裂隙试件蠕变特性研究及数值模拟

6.1流变基本特性

6.2蠕变基本模型

6.2.1经验方程法

6.2.2模型理论法

6.3单裂隙试件蠕变试验研究

6.3.1单轴蠕变试验研究

6.3.2三轴蠕变试验

6.4单裂隙岩体蠕变规律数值模拟

6.4.1模型建立

6.4.2材料属性设置

6.4.3模拟结果及分析

6.5本章小结

结论与展望

本文主要工作及结论

展望

致 谢

攻读硕士学位期间取得的成果