渗流-应力耦合作用下三维表面单裂隙扩展机理研究

摘要

裂隙岩体是岩土工程、水利水电工程和环境工程经常遇到的一类复杂介质，在外荷载作用下，岩体中存在的大量裂隙开始萌生、扩展和贯通，最终导致岩石失去承载能力发生破坏。
　　目前在理论方面多数将三维裂隙简化为二维进行研究，但自然界的裂隙大多数都是三维的，简化为二维往往会丢失一部分三维数据。在试验方面，由于真实岩石不均质性、不透明性和裂隙制作等困难，许多学者采用类岩石材料来代替真实岩石研究裂隙扩展，上述研究虽然可以得到一部分裂隙扩展成果，但毕竟不是真实的岩石，与真实岩石中裂隙的扩展具有一定的差距。本文在充分总结分析前人研究成果的基础上，采用理论分析、试验研究和数值模拟的方法，对裂隙在单轴、三轴压缩和渗流条件下裂隙扩展过程进行了细致的研究。
　　(1)总结了裂隙按裂隙赋存状况、力学成因及考虑其它因素时的分类方法以及断裂力学中Griffith的断裂强度理论、Orowan理论等其它有关裂隙扩展的基本理论。
　　(2)通过对无裂隙的红砂岩进行单轴和三轴压缩试验，在单轴荷载作用下应力-应变曲线经历四个阶段:裂隙压密阶段、弹性阶段、非稳定发展阶段和应变软化阶段，试件破坏形式为柱状劈裂破坏;在三轴荷载作用下，峰值强度及对应应变和残余强度等随着围压的增加而增加，试件的破坏形式为剪切破坏。
　　(3)采用红砂岩制作含不同角度和张开度的三维表面单裂隙，进行了单轴压缩试验。试验结果表明，单轴压缩条件下，当裂隙倾角≤60°时，含裂隙试件的峰值强度及对应应变随着倾角的增大而减小，当倾角为75°时，试件的峰值强度及对应的应变略有增加;张开度为1.0、1.5和2.0的裂隙试件，随着张开度的增加，试件的峰值强度减小，但相差不大;试件在单轴荷载作用下，含裂隙试件的破坏形式为由翼裂纹和反翼裂纹组成的“H”型破坏。
　　(4)采用高清摄像头对裂隙试件单轴压缩过试验程进行录像，通过对比分析录像截图研究裂隙扩展过程:不同倾角裂隙扩展过程是随着试验荷载增加，首先在裂尖处出现小范围的压碎区，裂隙倾角＜60°时是翼裂纹起裂，扩展一小段长度后就停止扩展，接着是反翼裂纹起裂，试验荷载继续增加，反翼裂纹继续扩展，最终导致试件发生失稳破坏，倾角≥60°时，不易观察到翼裂纹起裂;倾角45°时，裂纹最容易萌生、扩展比较均匀，而倾角75°时，裂纹不易萌生，扩展比较剧烈。
　　(5)通过含倾角45°裂隙试件进行三轴压缩试验，围压越大，含裂隙试件峰值强度及对应的应变与完整红砂岩试件的差值就越小;试件的宏观破坏模式是由翼裂纹和反翼裂纹组成的“H”型破坏，且围压越大，产生的Ⅰ型和Ⅲ型裂纹数目越多。
　　(6)通过含倾角45°裂隙试件渗流试验，相同围压下，水压越大，裂隙对岩石强度削弱越大;相同水压下，围压越大，裂隙对红砂岩强度削弱程度越小;含裂隙试件宏观破坏模式由翼裂纹和反翼裂纹组成的“H”型破坏，水压越大，含裂隙试件破坏越剧烈。
　　(7)通过对在单轴荷载、三轴荷载和渗流试验中的部分试件进行纵向CT扫描，得到了不同剖面裂隙扩展模式。各剖面图的翼裂纹和反翼裂纹都是竖向裂纹，在扩展过程都发生了偏折;单轴荷载作用下，靠近试件中心位置的剖面，裂纹包裹着裂隙发生扩展;三轴荷载作用下，翼裂纹和反翼裂纹扩展比较微弱，且出现了Ⅰ和Ⅲ型裂纹，围压越大，这种次生裂纹越明显，数目越多;渗流试验条件下，翼裂纹和反翼裂纹都能扩展到试件的端部。
　　(8)通过含倾角45°裂隙试件模型进行单轴荷载和三轴荷载作用下数值模拟计算，裂隙扩展过程与宏观试验结果基本一致，只是数值模拟时裂隙扩展过程没有发生偏折，而宏观试验中裂隙扩展发生了偏折;翼裂纹是受拉应力和拉剪应力作用破坏的，反翼裂纹主要是压剪应力作用破坏的;三轴压缩条件下出现的横向裂纹主要是压剪应力作用引起的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容及思路方法

2 裂隙扩展的理论基础

2．1 裂隙分类

2．2 断裂力学基本理论

2．3 本章小结

3 三维表面单裂隙扩展模式试验研究

3．1 前言

3．2 试验概况

3．3 不同试验条件下裂隙对红砂岩强度和变形参数的影响

3．4 单轴荷载作用下裂隙扩展过程图像分析

3．5 本章小结

4 三维表面单裂隙扩展模式CT扫描

4．1 CT简介

4．2 单轴压缩下三维表面单裂隙扩展模式CT扫描

4．3 三轴压缩下三维表面单裂隙扩展模式CT扫描

4．4 渗流试验条件下三维表面单裂隙扩展模式CT扫描

4．5 本章小结

5 三维表面单裂隙扩展过程的数值模拟研究

5．1 概论

5．2 三维表面单裂隙扩展的数值模拟方法

5．3 单轴压缩条件下裂隙扩展过程数值模拟研究

5．4 三轴压缩条件下裂隙扩展过程数值模拟研究

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

攻读硕士期间科研以及论文情况

参考文献