含孔洞类岩石材料力学特性试验与数值模拟研究

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岩石是一种及其复杂的天然集合体,经历漫长的地质构造运动后,内部不仅产生了大量的节理、裂隙,还存在着多种尺度和多种形状的孔洞缺陷。在外力的作用下,这些缺陷容易造成裂纹的萌生和发育,不同程度上影响着岩石的力学性质,在人们实际生活中更是对工程质量和施工安全有重大影响,研究含孔洞岩石强度和变形破坏等力学特性对保障地下岩土工程的安全稳定具有重要工程意义。由于原岩取样较困难,并且直接在原岩上加工孔洞的过程中会引起新的破坏,从而影响试验效果,因此本文采用岩石相似材料模型试验,首先进行单孔类岩石试件的室内单轴压缩试验,然后通过PFC3D细观参数敏感性分析,得到细观参数变化对岩石宏观力学参数的影响规律,实现PFC3D模型细观参数的标定。最后利用标定后的细观参数进行数值模拟,与室内试验对比验证PFC3D用于含孔洞岩石建模的可行性,以此为基础进一步研究双孔类岩石试件的力学特性,具体研究成果如下:(1)以板岩为研究对象,基于前人设计的配合比确定了岩石相似材料及配合比,制备出了不同孔径和孔洞分布位置的单孔类岩石试件。通过室内单轴压缩试验,得到了类岩石试件在不同孔径和孔洞分布位置时的强度、变形及最终破坏情况,结果发现孔径和孔洞位置对类岩石试件的力学强度及变形参数均有明显的影响。(2)根据岩石标准单轴压缩颗粒流模型,针对PFC3D软件中的主要颗粒细观参数,通过进行多次岩石单轴压缩模拟试验,分析得到岩石颗粒流模型中宏细观参数间的关系:影响泊松比的细观参数主要是平直节理刚度比(kn/ks),且与泊松比呈现出幂函数增长关系;影响弹性模量的主要细观参数有平直节理模量(Ec)和平直节理刚度(kn/ks),且受Ec的影响更明显,与Ec呈现出直线式增长关系,而与kn/ks表现为近似幂函数减小关系;影响抗压强度的细观参数较多,主要有平直节理抗拉强度(σb)、黏聚力(b)、内摩擦角(φb)和刚度比(kn/ks),其中受Cb与σb影响较大,整体趋势都是抗压强度随两者的增加而增加,而φb和kn/ks都对其产生一个先增大后减小的影响。(3)根据岩石颗粒流模型宏细观参数间的关系,实现了岩石PFC3D模型细观参数的标定。利用标定后的细观参数进行单轴压缩模拟试验,得到了单孔模型试件在不同孔径、不同孔洞分布位置和不同试件宽度时的应力—应变曲线、强度及变形规律、微裂纹发育过程和细观位移场,与室内试验结果进行对比分析,验证了PFC3D用于含孔洞岩石建模的可靠性,在此基础上考虑到孔洞与孔洞间的相互作用,进一步研究得到孔心距和孔间倾角对双孔类岩石材料强度、变形特征及破裂过程的影响规律。
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