基于非接触应力场的双裂隙岩石压缩破坏模式试验研究

摘要

天然岩体往往含有各种形式的节理、断层。在外荷载作用下，这些软弱结构面的发展往往造成岩体失稳破坏。研究裂隙岩石压缩破坏模式对于岩体工程，如隧道及地下工程，边坡工程，水利水电工程建设等均有重要理论和实践意义，对于揭示岸坡深部岩体变形破裂（深裂缝）成因机理及深卸荷岩体工程利用等具有重要意义。
　　本文制作不同裂隙组合的相似材料，采用自主研发的“YDS-3型岩石力学多功能试验机”进行试验加载，以PIV粒子成像测速技术方法作为试验观测手段，借助PIVProcess流场处理系统将照片转为位移矢量，基于有限元原理计算应力。论文分析了裂隙试样表面的应力场特征、岩样变形破坏过程、裂隙组合形式对岩样强度特性的影响、裂纹贯通模式以及各因素对岩样破坏模式的影响。主要成果如下:
　　(1)预制裂隙端部的最大压应力与最大拉应力随着轴向应力的增加，均呈现出先持续增加，随后保持稳定，随后波动变化，最后持续增加的规律。这种规律揭示了预制裂隙端部应力集中与应力释放的过程。
　　(2)各因素对岩样表面侧向应力（σx）分布影响表现为:随着预制裂隙倾角增大，拉应力集中区域由预制裂隙端部扩展至预制裂隙面及岩桥区域，压应力集中区域减小，并向预制裂隙下端移动。岩桥倾角增加，预制裂隙面及岩桥区域压应力集中区域减少;拉应力集中区域逐渐增加。循环加卸载的岩样与同条件下常规加载的岩样相比，预制裂隙面及岩桥区域拉应力集中区域减小。侧压越大，预制裂隙面及岩桥区域拉应力集中区域减小。
　　(3)在外荷载下，无论是常规加载还是循环加卸载，岩样通常经历四个阶段:压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、峰后阶段。双裂隙岩样峰值强度明显小于单裂隙岩样峰值强度。循环加卸载对岩样力学性质具有一定弱化作用，其峰值强度、起裂应力均低于同等裂隙组合形式下的岩样。侧压越大，岩样峰值强度和起裂应力越大。裂隙倾角为45°、60°时，岩样峰值强度最小，岩样起裂应力最小。裂隙搭接的岩样（即岩桥倾角大的岩样），其强度小于裂隙未搭接的岩样（即岩桥倾角小的岩样）。
　　(4)应力集中强度比k呈现先增加，随后保持稳定，然后波动，最后持续增加的规律。k的变化规律反映了裂隙岩石变形破坏过程中的应力集中与应力释放过程，k与轴向应变关系曲线的特征点与岩样变形破坏各阶段应力阀值具有较好的一致性，因而可以基于k的变化规律划分裂隙岩石变形破坏过程。
　　(5)预制裂隙端部标示点位移发生跳跃可预示该区域将萌生宏观裂纹。位移跳跃点分布的位置与萌生裂纹的类型相关，1号、3号点的位移跳跃预示着剪裂纹的形成;2号、4号点的位移跳跃预示着拉裂纹的形成。
　　(6)本次试验一共观察到三大类岩样破坏模式:张性破坏、剪性破坏、张剪性复合破坏;九小类岩桥贯通模式。无论岩桥贯通模式为哪一类，预制裂隙附近或岩桥区域均出现了拉应力（侧向应力）集中和切向应力集中现象。当岩样岩桥贯通模式为剪性贯通或复合贯通时，切向应力集中程度明显高于岩桥贯通模式为张性贯通的岩样。
　　(7)裂隙倾角小(0°、15°)的岩样更容易发生张性破坏，裂隙倾角大(75°、90°)的岩样更容易发生剪性破坏，裂隙倾角中等的岩样更易发生张剪复合破坏(30°、45°、60°)。岩桥倾角大（预制裂隙搭接）的岩样更容易发生张性破坏(120°、150°)，岩桥倾角小（预制裂隙未搭接）的岩样更容易发生剪性破坏(30°、60°)，岩桥倾角中等的岩样更易发生张剪复合破坏(90°)。当裂隙倾角与岩桥倾角接近时，即两条预制裂隙近共面时，岩样易发生剪性破坏。循环加卸载条件下，岩样更易发生剪性破坏;侧压增大，岩样更易发生张剪复合破坏。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 裂隙岩体破坏机理及破坏模式

1．2．2 裂隙岩石应力场

1．2．3 数字图像处理技术在岩石试验中的应用

1．2．4 课题组已有研究成果

1．3 现有研究的不足

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 试验设计

2．1 试样设计

2．1．1 相似材料配比

2．1．2 试样几何尺寸

2．1．3 试样制作

2．2 试验方案及设备

2．2．1 试验设备

2．2．2 试验方案

第3章 裂隙岩石变形破坏过程中的应力场特征

3．1 应力场计算及其与裂纹发展的关系

3．1．1 非接触应力场计算理论

3．1．2 应力场分布特征与裂纹发展的关系

3．1．3 应力场分布特征揭示裂纹发展的有效性分析

3．2 裂隙组合对应力场特征的影响

3．2．1 裂隙倾角的影响

3．2．2 岩桥倾角影响

3．3 应力环境对应力场特征的影响

3．4 本章小结

第4章 裂隙岩石破坏过程及岩样强度特性分析

4．1 岩石应力-应变曲线分析

4．2 基于应力集中强度比的裂隙岩石破坏过程划分

4．2．1 应力集中强度比k的定义

4．2．2 k变化规律及物理意义

4．3 基于预制裂隙端部位移变化特性的岩石破坏过程划分

4．4 各因素对岩样强度特性的影响

4．4．1 岩样强度参数统计

4．4．2 应力条件对岩样强度特性的影响

4．4．3 裂隙组合对岩样强度特性的影响

4．5 本章小结

第5章 裂隙岩石破坏模式

5．1 裂隙岩石破坏过程特征

5．2 裂隙岩石破坏模式

5．2．1 破坏机理分析

5．2．1 破坏模式分析

5．3 裂隙组合和应力环境对裂隙岩石破坏模式的影响

5．3．1 裂隙组合对岩样破坏模式的影响

5．3．2 应力环境对岩样破坏模式的影响

5．5 本章小结

结论

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果