巖石三維裂紋擴(kuò)展機(jī)制的物理與數(shù)值試驗(yàn)研究.pdf

1、巖體作為多裂隙體，它的變形和破壞與其中裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通過程密切相關(guān)。為了避免三維裂紋研究中存在的數(shù)學(xué)和力學(xué)上的困難，研究者們多假設(shè)裂紋是二維的存在形式。但實(shí)際上無論是從幾何意義或力學(xué)特征上來看，巖體裂紋都是三維性質(zhì)的，它的擴(kuò)展演化機(jī)制遠(yuǎn)比二維裂紋復(fù)雜得多，甚至是存在本質(zhì)上的差別，不能簡單地簡化為二維問題。巖石三維裂紋的擴(kuò)展是同時(shí)在表面和內(nèi)部進(jìn)行的，但內(nèi)部的觀測往往比較困難。過去學(xué)者多采用有機(jī)玻璃等透明均勻材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，這類材料

2、雖然方便觀察內(nèi)部裂紋擴(kuò)展情況，卻忽略了巖石的脆性、非均勻性等特性，得到的結(jié)果具有一定的局限性，只有考慮巖石的非均勻性才能真實(shí)地模擬巖石三維裂紋的擴(kuò)展與貫通機(jī)制。
　　本文在認(rèn)識(shí)和總結(jié)了前人有關(guān)巖石破壞機(jī)理及裂紋擴(kuò)展規(guī)律方面研究成果的基礎(chǔ)上，從三維的角度出發(fā)，基于細(xì)觀統(tǒng)計(jì)損傷的有限元方法，考慮巖石的非線性、非均勻性，通過RFPA3D數(shù)值分析系統(tǒng)模擬壓縮荷載作用下巖石三維裂紋的擴(kuò)展演化過程，并采用與巖石性質(zhì)相近的水泥砂漿材料進(jìn)行物理實(shí)

3、驗(yàn)。通過三維數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，主要對以下幾個(gè)問題進(jìn)行了分析研究:
　　(1)從力學(xué)和幾何分布的角度對三維裂紋進(jìn)行分類，對比研究了二維裂紋和三種基本三維裂紋的擴(kuò)展演化機(jī)制。得到的結(jié)果顯示，受巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，三維裂紋的起裂位置和擴(kuò)展形式均與二維裂紋有所區(qū)別，裂紋在不同厚度的切面上擴(kuò)展形式有很大變化;穿透裂紋的擴(kuò)展模式和二維裂紋較相似，均是以翼形拉伸裂紋的形式將試樣劈開，內(nèi)置裂紋和表面裂紋由于缺少自由表面，強(qiáng)度要較穿透

4、裂紋更高，容易引起脆性破壞。
　　(2)著重研究了含單條預(yù)制表面裂紋的巖石試樣的單軸壓縮試驗(yàn)，探究了裂紋擴(kuò)展的影響因素，數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致性。試驗(yàn)中預(yù)制裂紋的存在會(huì)使其附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，破壞單元聚集在裂紋的所有內(nèi)邊緣，在內(nèi)部形成殼體裂紋;在表面裂紋的擴(kuò)展中，出現(xiàn)反翼形裂紋主導(dǎo)破壞的情況，這也是三維裂紋受厚度方向影響產(chǎn)生的特有現(xiàn)象;裂紋的傾斜角度、長度和相對厚度均會(huì)對其擴(kuò)展機(jī)制和強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響。