脆性材料中三维裂隙破坏过程试验与数值模拟研究

摘要

原生裂隙的起裂、扩展和贯通演化特征和破坏规律是研究岩体工程破坏和失稳的基础，渗流对岩体强度的影响也受工程界所重视。由于三维裂隙岩体研究的复杂性，前人研究往往将三维问题简化为二维问题，而在这一简化往往不能全面反映三维裂隙的扩展破坏规律。近年来，研究裂隙的三维扩展形态和破坏机制成为裂隙岩体领域的重要课题，对裂隙岩体三维应力条件下的破裂过程和机理研究仍需深入。此外，很多岩体工程的失稳往往和地下水的作用密切相关。因此，开展裂隙岩体在内含有压水的条件下其破裂规律的变化和新的特征也是十分重要的。本文通过实验研究、理论分析和数值模拟等方法，研究类岩石材料含裂隙试件的裂纹扩展规律和机理，采用细观理论方法，揭示裂纹的扩展过程和破坏形态，对有水压条件的裂隙试件破裂过程和强度规律进行了分析，并将分析方法用于工程实际中，主要完成和开展了以下几方面工作: (1)研制了低温下拉压比为1/6.6的树脂材料用于制作模型试件，该材料脆性高，符合岩石的基本特征，其力学参数大理岩等岩石力学参数接近，可以在很大程度上模拟这些岩石的力学特性;而且其透明度高，能够清晰的用肉眼观察试件内部裂纹的扩展破坏状态，便于人们直观上理解裂纹的扩展规律。同时，作者用该材料研制了含中空裂隙试件，进行了内置裂隙在有水压的条件下的压缩试验。采用该中空裂隙试件及作者设计的试验方法，可以对内置裂隙试件施加不同的水压和侧压，开展多种工况下含预置裂隙试件的压缩试验和水压致裂试验。 (2)通过透明预置裂隙试件单轴压缩试验，研究了三维内置裂隙试件的新生裂纹的起裂、扩展和贯通破坏规律。研究表明，三维试件受压破裂过程大致经历四个阶段。其四个变形阶段与岩石试件完全相对应，并发现材料有非常明显的与岩石类似的扩容特性。试验过程中除了观测到常见的包裹状翼型裂纹，还出现了前人理论推测出的花瓣形裂纹。 不饱和树脂材料制作的试件为均质材料试件，除预置裂隙外，不存在其他缺陷，因此可认为该均质材料试件压缩试验为无其他缺陷干扰的情况下此单一缺陷（预置裂隙）产生破坏的过程。同非均质材料试验比较，在裂隙新生裂纹萌生和扩展初期两种材料扩展方式相同，但由于受非均质缺陷的影响，最终破坏形式有所不同。 (3)进行了有水压条件下裂隙试件的压缩试验。根据试验结果，有水压作用下与无水压条件下裂隙试块的破坏过程和现象有相同和不同之处为:试验过程中均在椭圆状裂隙长轴端部产生包裹状翼型裂纹，但有水压作用下未出现花瓣状裂纹;有水压条件下，新生裂纹的萌生和试块达到完全劈裂状态时所需的压力更小，即在水压作用下，试块的承压能力降低，而且水压越大，新生裂纹的萌生和和试件破坏所需的轴向压力越小。 (4)使用FLAC3D计算程序，通过二次开发，采用弹脆性损伤模型模拟了单裂隙和双裂隙试块在单轴加载条件下裂纹扩展过程和破坏情况，计算结果与试验过程基本吻合。通过计算不同侧压工况下裂隙试件的破坏过程，随着围压的增加，新生裂纹的萌生应力、扩容点和峰值强度都随之增加，而且裂纹的扩展形态有所不同。 (5)采用流固耦合方法研究了不同水压作用下裂纹的起裂和扩展规律。水压的增加使得新生裂纹萌生的压力和峰值强度均有所降低，而且二者随着水压的增加而下降。水压致裂试验模拟计算表明，水压致裂的最终破坏裂纹始终垂直于最小主应力;如果垂直主应力小于水平主应力，则破坏方式为水平方向，如果垂直主应力大于水平主应力，则破坏方式为垂直方向。 (6)以大型地下洞室开挖为例，进行了准三维模型的洞室开挖数值模拟，计算结果基本能够反应洞室开挖围岩应力场、位移场的变化规律，特别是由于采用了模型细观计算方法，基本能够反应洞周原生裂隙的扩展规律和渗流对洞室开挖的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 裂隙岩体力学特性块体模型试验

1．2．2 裂隙岩体特性的数值模拟研究

1．2．3 流体-固体耦合研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法

第二章 类岩石材料含裂隙试件的压缩试验研究及分析

2．1 脆性岩石材料的单轴压缩条件下一般破坏规律

2．1．1 脆性岩石在单轴压缩条件下的应力应变曲线

2．1．2 脆性岩石的一般破坏形式

2．1．3 脆性岩石的基本特征

2．2 透明脆性类岩石材料含裂隙试件制备

2．2．1 试验模型材料的选择

2．2．2 制备模型试件所需设备和材料

2．2．3 脆性透明树脂材料的调配

2．2．4 模具的选择和制作工艺

2．2．5 内置三维裂隙制作方法、·模拟裂隙材料选择

2．2．6 裂隙的预置方法

2．2．7 配制和浇注树脂材料

2．2．8 模型试件的养护与磨光成型

2．3 含一条内置裂隙模型试件单轴压缩试验过程

2．4 单轴加载下垂直分布双裂隙组试件单轴压缩试验过程

2．5 均质类岩石材料与非均质类岩石材料试验结果对比

2．6 小结

第三章 水压作用下类岩石材料裂隙试件试验

3．1 水对岩体的作用

3．2 裂隙水对岩体损伤断裂和强度的影响

3．3 水压作用下单裂隙类岩石试件单轴压缩试验

3．3．1 试验系统介绍

3．3．2 试件制备

3．3．3 单轴压缩试验前的准备工作

3．3．4 单轴加载试验过程

3．3．5 单轴加载试验现象

3．4 小结

第四章 裂隙模型块体试验数值模拟

4．1 引言

4．1．1 非连续性方法

4．1．2 等效连续方法

4．2 弹脆性损伤模型

4．3 弹脆性模型的数值计算实现

4．3．1 数值计算的基本假定

4．3．2 数值计算流程

4．3．3 弹脆性损伤模型的验证

4．4 试验过程数值模拟

4．4．1 单裂隙数值模拟

4．4．2 双裂隙数值模拟

4．5 三维模型计算同二维模型比较

4．6 非均质材料试件数值模拟

4．6．1 岩石材料非均质性的表达方法和参数取值

4．6．2 非均质单裂隙试件裂隙破坏过程

4．7 小结

第五章 水压作用下裂隙模型压缩试验模拟

5．1 引言

5．2 岩体的渗流特性

5．2．1 岩体渗透性的表示方式

5．2．2 裂隙岩体的渗透特性

5．2．3 岩体渗透性的尺寸效应

5．2．4 单裂隙岩体渗流规律

5．3 裂隙岩体渗透系数的变化规律

5．4 FLAC3D流固耦合基本原理

5．5 FLAC3D模拟含裂隙水试件单轴压缩试验

5．5．1 计算流程与注意事项

5．5．2 建模和力学参数

5．5．3 不同水压情况下裂隙扩展过程

5．6 水压致裂试验模拟

5．7 小结

第六章 裂隙洞室数值模拟

6．1 计算模型与参数

6．2 洞室开挖数值模拟

6．2．1 无水条件洞室开挖

6．2．2 流固耦合作用下洞室开挖

6．3 小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

附图

参考文献

致谢

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