真实岩石三维非充填与充填单通透裂隙扩展机理试验研究

摘要

充填与非充填通透裂隙是自然界中岩体结构面存在的主要形式之一，三维通透裂隙扩展试验的研究成果是建立岩体三维本构模型的重要基础。目前，与本次研究有关的成果比较少见，真实岩石通透裂隙扩展机理的理论体系还未建立起来。
　　为了充实裂隙岩体力学在这一方面的研究成果，采用正交试验为主，理论分析、数值模拟为辅的方法，系统研究真实岩石三维非充填与充填单通透裂隙的扩展机理。利用真实红砂岩制作含三维单通透裂隙的岩石试件，使用MTS电液伺服三轴仪对其依次进行单轴、三轴及渗流-应力耦合岩石力学试验，结合录像及CT扫描结果研究单通透裂隙在不同角度、不同张开度、不同充填、不同荷载下的次生裂纹扩展模式及试件强度参数的变化规律;通过FLAC3d模拟单轴荷载下三维裂隙扩展的动态演化过程，揭示通透裂隙扩展的潜在机制。主要研究成果如下:
　　(1)次生裂纹扩展模式:①单轴荷载下，裂隙倾角大于45°时，翼裂纹起裂，扩展沿最大主应力方向，未出现反翼裂纹;裂隙倾角小于等于45°时，翼裂纹起裂早于反翼裂纹，扩展均沿最大主应力方向;裂隙扩展模式与张开度变化关系不大;②在三轴及渗流应力耦合作用下，非充填裂隙翼裂纹起裂不明显，反翼裂纹起裂沿最大主应力方向，最终偏离最大主应力方向扩展至试件上下底面边缘处，存在起裂角度较小、扩展微弱的第二反翼裂纹;③在三轴及渗流应力耦合作用下，除了具备与相同荷载下非充填通透裂隙扩展相同特征之外，不同充填裂隙周边存在扩展不完全、沿最大主应力方向的翼裂纹，充填物的变化对裂隙扩展模式影响不大。
　　(2)含裂隙试件强度参数变化规律:①单轴荷载下，随着裂隙倾角的增大和张开度的减小，次生裂纹的起裂强度和峰值强度线性增大;②三轴荷载下，随着围压的增大，含非充填裂隙试件的峰值强度和残余强度线性增大，含不同充填裂隙试件的峰值强度相差不大，含充填通透裂隙试件的残余强度高于含未充填裂隙试件的残余强度;③渗流-应力耦合作用下，孔隙水压力增大，含未充填裂隙试件的峰值强度缓慢减小，残余强度线性减小;相同孔隙水压力作用下，小范围围压的变化对含未充填裂隙试件的峰值强度影响不大，但是其残余强度随围压的增大明显变大;渗流-应力耦合作用下含不同充填状态裂隙试件的峰值强度相差不大，充填物质的存在明显提高了含裂隙试件的残余强度。
　　(3)采用参数修正的方法对裂隙扩展过程进行数值模拟，模拟与试验结果拟合程度高。单轴荷载下45°裂隙翼裂纹起裂早于反翼裂纹，扩展速度快于反翼裂纹;翼裂纹起裂与扩展过程的力学机制是拉剪破坏;反翼裂纹起裂和扩展的力学机制主要是压剪破坏。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容和目标

1．4 研究方法和技术路线

2 单通透裂隙扩展机理研究试验方案

2．1 正交试验方案设计

2．2 试验仪器介绍

2．3 试验材料及含通透裂隙试件准备

2．4 本章小结

3 单轴荷载下三维非充填单通透裂隙扩展机理试验研究及数值模拟

3．1 引言

3．2 单轴荷载下不同角度通透裂隙扩展试验及结果分析

3．3 单轴荷载下不同张开度通透裂隙扩展试验及结果分析

3．4 单轴荷载通透裂隙扩展数值模拟

3．5 本章小结

4 三轴荷载下三维非充填与充填单通透裂隙扩展机理试验研究

4．1 引言

4．2 含非充填裂隙试件三轴压缩试验结果及分析

4．3 含不同充填物质通透裂隙试件三轴压缩试验结果及分析

4．4 本章小结

5 渗流-应力耦合作用下三维非充填与充填单通透裂隙扩展机理试验研究

5．1 引言

5．2 渗流-应力耦合作用下非充填裂隙扩展机理试验结果及分析

5．3 渗流-应力耦合作用下不同充填裂隙扩展机理试验结果及分析

5．4 本章小结

6 结语与展望

6．1 结语

6．2 展望

致谢

硕士期间科研以及论文情况

参考文献