交叉节理岩体相似材料模拟试验及损伤本构模型研究

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交叉节理岩体广泛分布于自然界的地质体中,准确认识交叉节理岩体的强度和变形特性对相关岩体工程的安全稳定至关重要。本文利用相似材料制作节理岩体试件,通过改变节理倾角和长度模拟不同工况交叉节理岩体,开展不同工况交叉节理试件单轴压缩试验,试验过程采用数字图像相关法(DIC)实时测量不同载荷下节理尖端附近全场应变,对试验结果进行分类比较,深入分析交叉节理岩体的力学特性和损伤演化行为;基于断裂力学、能量理论及损伤力学相结合的方法,将岩体的细观损伤和宏观损伤根据Lemaitre应变等价原理耦合成宏细观复合损伤,构建交叉节理岩体等效弹性模型;最后,对模型计算结果与试验结果进行比较分析,两者吻合性较好,证明了模型的合理性。该模型的宏观损伤变量同时考虑了交叉节理干涉效应下岩体的初始损伤以及翼裂纹扩展引起的附加损伤。主要研究成果如下:(1)在0~90°倾角之间单节理岩体强度先降低后增加,强度最低值在45°和60°之间,且0°节理面对岩体强度削弱程度较大,90°节理面对岩体强度和变形特性影响较小;(2)交叉节理的存在对岩体加载初始阶段的变形模量影响较小,但相交节理间的干涉效应对主节理尖端应力强度因子影响较大,从而使岩体的峰值强度具有显著差异;(3)由于交叉节理间的干涉效应,同倾向交叉节理岩体的强度较两条节理单独存在时的强度值皆低,反倾向交叉节理岩体当主次节理夹角靠近90°和大于90°时交叉节理岩体峰值强度较两条节理单独存在时高;(4)竖向节理面在受载时节理面产生张拉变形,竖向节理面的张开有利于倾斜节理面的协调变形,从而使得岩体抗压强度相比倾斜节理面单独存在时有所提高;(5)在交叉节理岩体出现损伤屏蔽的情况下,次节理长度的增加能使交叉节理岩体的强度有所提高,但随着次节理长度的增加,次节理可发展为交叉节理岩体破坏的主节理,使得交叉节理岩体的强度相比主节理单独存在时降低。
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