【摘 要】
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裂隙岩体是一种常见的工程介质,边坡工程和地下工程中的岩体常表现出不连续性的特征。在自然界中,裂隙往往不是单独存在,而是以多条裂隙的复合形式分布在各类载体中,复杂裂隙实际可以看作若干条单一裂隙不断叠加而成。不同的外力作用下,裂隙岩体的破坏过程会有所不同;裂隙几何特征的改变也会对其裂纹扩展模式和破坏机制都产生影响。由于裂隙网络的复杂性,学者们更愿意采用数值模拟方法对其进行研究,含预制裂隙的均质脆性试件
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目(405234);
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裂隙岩体是一种常见的工程介质,边坡工程和地下工程中的岩体常表现出不连续性的特征。在自然界中,裂隙往往不是单独存在,而是以多条裂隙的复合形式分布在各类载体中,复杂裂隙实际可以看作若干条单一裂隙不断叠加而成。不同的外力作用下,裂隙岩体的破坏过程会有所不同;裂隙几何特征的改变也会对其裂纹扩展模式和破坏机制都产生影响。由于裂隙网络的复杂性,学者们更愿意采用数值模拟方法对其进行研究,含预制裂隙的均质脆性试件更能契合裂隙岩体数值计算通常采用的假设条件,而天然岩体试样室内试验难以实现这种假设条件。3D打印树脂材料并低温增脆的方式可以较好地模拟花岗岩和闪长岩等脆性岩体,并灵活准确地设置与岩样内部裂隙分布类似的裂隙网络。岩样CT扫描的结果显示样本内部普遍分布“Z”形复合裂隙,此类裂隙的扩展断裂机理尚不明确。本文首先使用3D打印人造裂隙岩体的方法分析了不同几何形态和分布的裂隙组合对岩体力学行为影响的重要性因子,并研究主次裂隙组合的复合裂隙岩体破坏行为。本文的研究成果对于断裂力学、裂隙网络岩体分析、以及实际岩体工程的稳定性评价具有一定指导意义。本文通过三组试验,研究单裂隙人造岩体、双裂隙人造岩体和复合裂隙人造岩体的强度及变形性能,由简到繁探讨了裂隙的重要性因子和裂隙扩展机理,最后利用有限元软件RFPA2D模拟试验过程,对比试验结果验证其合理性。主要结论如下:(1)在预制单裂隙均质类岩石试件单轴压缩试验中,分别探究了裂隙长度、倾角、空间位置等不同几何特征对试件力学特性、裂纹扩展机理及破坏机制的影响。根据裂隙尖端裂纹起裂位置总结出三种破坏模式。验证了裂隙长度和倾角是影响裂隙性能的重要性参数,同等规模的裂隙倾角在30°与45°岩体强度较低。裂隙尖端实际开裂的起裂角θ(76°)接近理论起裂角。(2)结合单裂隙试验结果,对双裂隙试件破坏行为展开探讨。根据岩桥的贯通破坏理论定义了四种模式;同时利用数字图像相关法(DIC)测得的应变场和位移场揭示裂隙试件的破坏特征,通过应变场与位移场分布现象证明了裂隙在试件变形过程中起主导作用。提出裂隙折减系数γ并对裂隙叠加造成的强度以及变形模量的影响规律进行分析。试验结果表明双裂隙试件的强度主要取决于破坏模式,3D打印材料的物理性质是裂隙试样整体弹性模量的主要影响因素,叠加组合裂隙与单一裂隙对试件弹性模量的影响相差不大。(3)在预制复合多裂隙岩体模型的单轴压缩试验中,结合双裂隙的裂纹扩展规律,重点研究了复合多裂隙扩展连通机理。探讨了次裂隙倾角、长度对多裂隙复合岩体试件的强度、变形模量、裂纹扩展及破坏模式的影响,总结出本次试验研究观察到四种主要的裂纹起裂类型与四种破坏模式。然后通过最大主应变演化云图中应变集中连接带分布现象,验证裂隙试件产生错动变形的趋势。(4)使用RPFA2D对上述双裂隙、复合多裂隙人造岩体模型进行数值模拟研究。通过对比实际的破坏过程,验证RPFA2D模拟均质材料人造岩体试件破坏的有效性,对裂隙岩体工程稳定性分析提供一定的指导。
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