卸荷渗流耦合作用下裂隙岩体破坏机理研究

摘要

随着我国基础设施建设的快速发展，大型交通、水利水电工程建设的大规模开展，地下工程突水问题以及边坡工程稳定性问题日益突出。其中，卸荷-渗流耦合作用成为诱发此类问题的重要因素，而裂隙岩体作为实际工程问题中广泛遇到的一类工程介质，具有复杂的力学特性与渗透特性。基于此，本文采用理论分析、室内试验、数值模拟相结合的方法，围绕卸荷-渗流耦合作用下裂隙岩体破坏机理，系统地研究了含单裂隙类岩石试样在卸荷渗流耦合作用下的卸荷力学特性、渗流特性、能量转化等，建立了渗透水压-围压卸载状态下翼型裂纹的扩展模型，并借助FLAC3D软件分析了裂纹起裂和扩展机理。研究内容和主要成果如下：　　①基于断裂损伤力学理论研究应力-渗流作用下岩石裂纹起裂、扩展规律，建立了考虑围压卸荷作用的压剪翼型裂纹模型，并借助有限元软件对模型进行对比分析。得出压剪裂纹起裂强度的主要影响因素有裂纹闭合程度、围压、渗透水压、裂纹倾角、岩石性质等。渗透水压的存在使裂纹尖端应力强度因子增加，压剪岩石裂纹起裂强度降低，分支裂纹扩展长度显著增长；围压的存在对裂纹扩展起约束作用，使得裂纹起裂强度降低，分支裂纹扩展长度显著减小。考虑围压卸载作用的翼型分支裂纹扩展长度主要与围压卸荷水平有关，在围压卸载过程中，裂纹尖端应力强度因子显著增大，翼型分支裂纹扩展长度显著增长，当围压卸载到与渗透水压相近时，分支裂纹扩展进入不稳定状态。　　②利用岩石多场耦合三轴仪对类岩石材料制成的含有单条贯通型裂纹的标准试件进行有渗透水压作用和无渗透水压作用的常规三轴压缩试验、三轴压缩峰前卸荷试验，并通过CT扫描系统及AVIZO软件对破坏后的试样内部裂隙进行三维重构。试验结果表明，试样的偏应力增量、围压卸荷量、统一围压降参数均随初始轴压水平提高而减小；试样卸荷后，随着初始轴压水平的不断增加，最终围压和极限屈服强度随之增大，表明当初始轴压水平越高时，试样发生破坏所需要的围压卸荷量越小、围压卸荷历时越短、损伤度越高，亦即试样越容易发生破坏。此外，偏应力增量与裂隙角度不存在线性关系，但整体上符合裂隙角度越小偏应力增量越大的规律。剪胀角随裂隙角度增大、初始轴压水平提高而减小，随初始围压减小而增大，且卸荷试验中试样的剪胀角均大于常规三轴压缩试验中的剪胀角。卸荷试验中的粘聚力低于常规三轴压缩试验，且粘聚力随初始轴压水平提高呈指数关系增长；而内摩擦角高于常规三轴压缩试验，且随初始轴压水平提高呈多项式关系减小。围压卸荷的两个阶段中环向应变增量大于轴向应变增量大，表现出明显的侧向扩容。　　③在有渗透水压作用下的三轴压缩峰前卸荷试验中，试样峰值强度随渗透水压增大而减小，随初始轴压水平提高而增大。此外，统一围压降参数随初始轴压水平提高而减小，随水压增大而减小，说明初始轴压水平越高、水压越大，试样破坏所需的围压卸荷量越小，试样越容易破坏。峰值粘聚力、残余粘聚力均随初始轴压水平提高而呈指数增大。试样的粘聚力和内摩擦角均随着水压增大而减小，峰值摩擦角、残余摩擦角随初始轴压水平提高而减小。试样的最大剪胀角随初始轴压水平增大而减小，随水压增大而增大。损伤变量随初始围压增大而减小，体现了围压对试样环向应变的限制作用；损伤变量随水压增大而略微增大，说明水压的存在会促进试样环向应变的发展。　　④为了更直观地观察裂纹起裂、扩展及破坏过程，更好地解释裂隙岩体在不同应力路径下的破坏机理，运用FLAC3D数值模拟软件再现试验过程。采用弹脆性损伤模型，模拟了单裂隙试样的三轴加、卸荷试验，并对试件在不同条件下的裂纹扩展过程和破坏情况进行对比、分析，结果表明加载条件下围压越小，裂纹扩展角度越接近于竖直方向，卸荷条件下随着围压增大，围压卸荷量也越大，且裂纹发育越集中，脆性特征越明显。　　⑤在无水工况计算模型的基础上采用流固耦合方法研究了不同水压、不同围压、不同初始轴压水平条件下裂纹发展演化规律以及各角度裂隙试件的加、卸荷破坏特征。试件裂纹扩展过程及破坏模式会随裂隙角度不同而不同，其中，0°裂隙试样和90°裂隙试件与其他角度裂隙试件差别较大。

目录

1 绪 论

1.1.1 选题依据和研究意义

1.1.2 裂隙岩体渗流场—应力场耦合研究的应用和前景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 裂隙岩体断裂破坏机制研究

1.2.2 裂隙岩体加卸荷破坏特性试验研究

1.2.3 裂隙岩体渗流场—应力场耦合研究

1.2.4 目前研究中存在或亟待解决的问题

1.3 主要研究内容

1.4 研究方法与技术路线

2 卸荷渗流作用下裂隙岩体裂纹断裂强度与扩展模型

2.1 引言

2.2.1 渗透水压作用下张开型裂纹起裂特性

2.2.2 张开型裂纹闭合准则

2.2.3 渗透水压作用下闭合型裂纹起裂特性

2.3.1 裂纹扩展初期裂纹扩展模型

2.3.2 裂纹扩展后期裂纹扩展模型

2.3.3 渗透水压-压剪应力作用下裂纹扩展模型

2.3.4 渗透水压-压剪应力作用下裂纹扩展模型与数值模型对比分析

2.4.1 围压卸载作用下分支裂纹扩展模型

2.4.2 围压卸载作用下分支裂纹扩展模型与数值模型对比分析

2.5 本章小结

3 卸荷条件下裂隙岩体破坏试验研究

3.1 引言

3.2.1 裂隙几何分布

3.2.2 模具

3.2.3 相似材料的选取及试样制备流程

3.2.4 确定养护时间

3.2.5 主要试验仪器及围压选择

3.2.6 完整试样的基本物理力学性质测试及离散性测试

3.3 裂隙岩体三轴压缩试验

3.3.1试验步骤

3.3.2数据处理及原则

3.3.3试验结果分析

3.4 裂隙岩体围压卸荷试验

3.4.1试验方案及步骤

3.4.2应力应变特征分析

3.4.3卸荷强度特征分析

3.4.4卸荷过程中试样参数的变化特征

3.4.5卸荷变形特征分析

3.4.6卸荷扩容特征分析

3.5 裂隙试样破坏形态及裂隙发育CT扫描

3.5.1 加载试验中试样宏观破坏模式及CT扫描

3.5.2 卸荷试验中试样宏观破坏模式及CT扫描

3.6 加卸荷试验中能量转化特征分析

3.6.1 能量耗散原理

3.6.2 加载试验中应变能转化过程分析

3.6.3 卸荷试验中应变能转化过程分析

3.7 本章小结

4 卸荷渗流作用下裂隙岩体破坏试验研究

4.1 引言

4.2.1 试样制备

4.2.2 试验方案与步骤

4.2.3 强度特性分析

4.2.4 变形特性分析

4.2.5 裂纹演化特征、破坏模式及机理分析

4.3.1 试验方案及步骤

4.3.2 应力应变曲线特征分析

4.3.3 卸荷强度特征

4.3.4 卸荷变形特征

4.3.5 卸荷扩容特征

4.4 加、卸荷条件下裂隙试样渗流特性研究

4.4.1 加载渗流特性

4.4.2 卸载渗流特性

4.5 渗透水压下预制裂隙贯通模式及CT扫描研究

4.5.1 加载试验中试样宏观破坏模式及CT扫描

4.5.2 卸荷试验中试样宏观破坏模式及CT扫描

4.6.1 不同水压条件下试样的SEM分析

4.6.2 水对试样的劣化机理分析

4.7 本章小结

5 卸荷渗流耦合作用下裂隙岩体数值模拟研究

5.1 引言

5.2 弹脆性损伤模型及其数值计算的实现方法

5.2.1 基本假定

5.2.2 数值计算流程

5.2.3 弹脆性损伤模型的验证

5.3.1 三轴加载试验模拟

5.3.2 三轴卸荷试验模拟

5.4 裂隙岩体渗透系数的变化假定

5.5 FLAC3D流-固耦合基本原理

5.6.1 模型和渗流参数

5.6.2 渗流作用下三轴加载试验过程模拟

5.6.3 渗流作用下三轴卸荷试验过程模拟

5.7 裂纹扩展机理研究

5.7.1裂纹扩展过程中的应力分布

5.7.2起裂时应力状态分析

5.8 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 后续研究工作的展望

参考文献

附录

A 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录

C 作者在攻读博士学位期间得奖情况

D 作者在攻读博士学位期间参加的会议

E 学位论文数据集

致谢