预制节理裂隙类岩石材料板动态压缩破坏试验研究

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我国一些重大民生、国防项目通常坐落在地质结构复杂的高山峡谷地区,在爆破等动态荷载作用下,基建范围内岩体裂隙的发展尤为剧烈,频次、规模也明显增多,且更具突发性,严重威胁着大型岩体工程的安全。因此,研究含节理结构面岩体在动荷载作用下裂隙的起裂及扩展机理,对评价岩体工程稳定性具有重要的意义。本文采用水泥砂浆制作类岩石样品,预制与加载方向成0°~90°夹角节理,以分离式霍普金森杆(SHPB)为动力加载系统,结合数字图像相关(DIC)技术,分析不同加载率、不同裂纹角度条件下样品失稳破坏特征,揭示预制节理岩体在动态加载条件下的起裂及扩展规律,真实反应岩体在动态荷载下的裂隙扩展机理,主要研究内容如下:(1)张开型单节理类岩石材料板动态压缩破坏试验研究:含预制张开型单节理样品破坏形式主要以X型拉剪破坏为主,其强度随加载率的增大而增大,节理倾角变化也对样品强度有一定影响。同时捕捉了预制节理动态起裂的初始应力场、裂纹萌生起裂全过程、裂纹传播速度与起裂应力场混合度的关系,并分析了不同加载率、不同节理角度下复合裂纹动态起裂韧度与经典准则的相关性。(2)充填型单节理类岩石材料板动态压缩破坏试验:充填树脂后的单节理样品与张开型样品对比,破坏模式随机性增强,呈现出非标准的―X‖型破坏,强度也出现整体性提升,两者强度随加载率变化规律则较为相似。节理尖端起裂峰值应力变化规律区别明显:张开型节理试样尖端起裂峰值应力比充填节理试样起裂峰值应力偏小,其强度受KII/KI混合度影响显著;而充填节理从位移场角度来看,节理面受压明显,产生负的KI,两者破坏时刻KII峰值变化规律明显不同。(3)张开型平行节理类岩石材料板动态压缩破坏试验:随着节理角度从0°至90°逐渐变化,样品强度呈现出先增大再减小,最后再增大的变化规律。不同角度双节理试样均呈现―X‖型主裂纹分布破坏,试样中心部位首先出现应变集中,然后岩桥连通破坏。岩桥破坏类型主要有两种,一种为两条节理尖端对角线相连的―Z‖型破坏,另一种为―口‖字形破坏。此外,高加载率会改变―Z‖型岩桥破坏的连通位置;同等加载条件下,节理倾角对尖端应力场变化产生显著的影响。(4)充填型平行节理类岩石材料板动态压缩破坏试验:充填双节理试样强度依然表现出较强的率相关性,节理角度对其强度变化规律有较大的影响:强度随角度增长呈现出―W‖型变化规律。充填双节理试样强度整体大于张开型双节理试样强度。高低不同的加载率对样品的破坏模式存在较大的影响,高加载率带来更多的次生裂隙,且破坏模式随机性较强。随着加载率逐渐增大,节理尖端KII起裂峰值应力分布主要以类抛物线为主,数值的起伏基本与KI成反比,样品若产生岩桥断裂,其节理尖端受压程度及峰值剪切应力会增大。(5)预应力条件下裂纹动态破坏规律模拟研究:采用有限元方法模拟了试验室工况下样品受力过程,对比了数值样品和实际样品的破坏形态、位移场分布、剪应力场分布以及强度变化规律,证明了数值模型的可靠性。随后利用此模型进一步分析了不同围压、不同轴压工况下数值样品的破坏特性,对复杂工况下样品破坏规律起到预测的效果。(6)基于DIC技术量化分析裂纹断裂类型:通过使用超高速摄像机和DIC诊断系统方法来记录变形场的演变,采用数字标记剖面精确地获取局部坐标系下的数据结果,进而区分断裂模式,定量分析出四种断裂模式。通过对应分析确定了断裂模式与断裂角度之间的耦合关系。全文首次定量分析了多种节理(张节理、充填节理)形式和节理倾角在动载下的破坏形态、位移场演变和裂纹尖端应力场变化规律,并基于DIC技术,创造性的引入数字标记剖面精确地获取局部坐标系下的数据结果,区分断裂模式,首次通过统计学中的对应分析确定了断裂模式与断裂角度之间的耦合关系。研究成果能够为工程建设领域地质灾害防治提供理论支撑,具有一定的社会应用价值。
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