【摘 要】
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我国中西部地区山地分布面积广,出露岩体常含复杂结构面,在受荷作用下其变形破坏更加复杂化。随着我国重走丝绸之路快速推进,会面临着“一带一路”工程建设过程中的各种各样的复杂地质问题,探讨内含结构面特征的岩体在荷载作用下的变形破坏,其变形破坏过程中表征的能量和声发射特征具有重要意义。本文采用能量平衡原理、声发射特征、损伤力学,利用数值模拟手段分析含不同断续共线结构面的倾角、贯通度和围压的岩体在单向与双向
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我国中西部地区山地分布面积广,出露岩体常含复杂结构面,在受荷作用下其变形破坏更加复杂化。随着我国重走丝绸之路快速推进,会面临着“一带一路”工程建设过程中的各种各样的复杂地质问题,探讨内含结构面特征的岩体在荷载作用下的变形破坏,其变形破坏过程中表征的能量和声发射特征具有重要意义。本文采用能量平衡原理、声发射特征、损伤力学,利用数值模拟手段分析含不同断续共线结构面的倾角、贯通度和围压的岩体在单向与双向压缩应力状态下变形破坏过程中的能量与声发射特征,取得的研究成果如下:(1)分析了岩石受压变形破坏过程中的能量输入、积聚、耗散与释放;外界对岩石系统输入的能量主要为机械能与热能,岩石系统吸收外界能量后大部分积聚为可释放弹性应变能,少部分以耗散能的形式耗散到外界;能量积聚过程中的耗散能组成为塑性应变能、表面能和辐射能;能量释放过程中的耗散能组成为摩擦热能、表面能和辐射能,并获得相应能量计算表达式;利用能量平衡原理和损伤力学,获得了岩石变形破坏过程中的损伤系数表达式。根据声发射原理分析了岩石受压变形破坏过程的声发射参数特征。(2)通过数值模拟,岩体变形破坏过程中裂纹扩展形式可分为预制结构面微裂纹萌生与集中、裂纹扩展和贯通破坏三个阶段。单向压缩下的岩体应力-应变曲线,多数在峰值后呈多级台阶式下降,内置结构面低-中贯通度的岩体更加明显,完整岩石、结构面倾角高和贯通度高的岩体脆性破坏特征更加明显。双向压缩下岩体变形破坏过程具有多层复杂X剪结构面特征,内置结构面倾角为60°时,岩体的应力和应变相对较小,内置结构面起到了控制作用。双向压缩下岩体变形破坏过程具有多层复杂X剪结构面特征,结构面倾角60o时的岩体应力和应变值相对较小,其结构面具有控制作用;当结构面倾角为0°时,其结构面扩展形式为共轭性剪节理“X”型,当结构面倾角逐渐增大,其结构面扩展形式为树枝型、树丫型、机翼型和格状复杂交叉剪节理“X”型,其特点为宏观裂纹中部有着三段以预制结构面为基础形成的交叉裂纹。同一结构面倾角下,随着围压的增大,其裂纹扩展影响范围更大。(3)用耗散能与总能量的比值D来表示岩石损伤程度的损伤系数。研究发现单向与双向加压情况下岩体变形破坏在峰值点处的损伤程度均在0.1左右,岩体应力应变曲线一旦超过峰值点,损伤系数会陡增至0.8以上,最终岩体破坏,损伤系数D无限接近于1。单向压缩时完整岩石在近峰值时损伤系数突升高更加明显,由峰前积累的弹性应变能转化为耗散能更快。双向压缩时随围压的增大,损伤系数在峰值强度后瞬时降低更快。(4)岩体变形破坏过程中,声发射分布特征为前期声发射事件较为稀疏,对应岩体内部裂纹闭合,微裂纹萌生现象;中期裂纹扩展延伸逐渐形成宏观裂纹,声发射事件较前期次数多,也更为密集;后期伴随着应力应变曲线的陡降,声发射事件有一次陡增现象,该次爆发的声发射事件数在累计声发射事件数中的占比可达60%以上。单向加压下的岩体声发射事件随着预制结构面倾角的增大,微裂纹萌生进入塑性阶段有密集出现的特点。随着裂纹扩展,声发射事件在峰值强度稍滞后处呈大量集中爆发特点,峰值强度前由于微裂纹贯通也有多次较集中爆发,直到宏观裂纹形成,完整岩石在峰值强度后集中爆发更加明显。双向压缩下的声发射在峰前集中爆发较单向加载更多,当结构面倾角逐渐增大,声发射图特征为复杂机翼型交叉剪节理“X”型;同一结构面倾角下,随着围压增大,其裂纹扩展影响范围更大,声发射分布范围更广。
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