含三維裂隙的脆性巖體破壞機理的試驗與數(shù)值分析研究.pdf

1、巖體中含有豐富的節(jié)理裂隙，這些裂隙在工程開挖，水流，風(fēng)的侵蝕等力的作用下起裂，擴展，相互貫通，對巖體的力學(xué)特性和破壞模式產(chǎn)生重要影響，同時這些裂隙相互作用產(chǎn)生的通道成為地下水流的重要途徑，影響著巖體的滲流特性，可能腐蝕錨桿等工程材料，嚴重影響了巖體工程的穩(wěn)定性，因此，研究多裂隙巖體的破壞機制一直是工程地質(zhì)界關(guān)注的重要問題，以往的研究大多簡化為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問題，但是現(xiàn)實中的裂隙巖體都為三維的，簡化的研究方法將導(dǎo)致很多三維裂隙擴展的重

2、要信息丟失，研究三維裂隙巖體的斷裂機制和破壞機理將成為巖石工程界的重要方向，對巖體工程的設(shè)計，施工和穩(wěn)定性具有重要作用。由于在真實巖石試件的內(nèi)部很難預(yù)置有一定分布規(guī)律的多條三維裂隙。因此，研究含三維裂隙脆性巖體破壞機理的很多試驗采用類巖石的相似材料來開展。因為要使模擬含三維裂隙巖體的材料力學(xué)特性，其材料盡量符合脆性巖石的主要特性，而且要在足夠大的試塊中要模擬有一定排列模式的多條斷續(xù)節(jié)理很困難，本文采用似巖石類脆性材料開展試驗，研制出脆性

3、很高的材料，其拉壓比常溫下就能達到1/5，在一定低溫條件下預(yù)計將可達到1/7至1/8左右。與以往的同類脆性材料相比，脆性提高了一倍。該材料透明性很好，可清晰地觀察到三維內(nèi)置裂隙試件的裂紋擴展的過程；在性能上與脆性巖石有較好的相似性，可以模擬多類巖石的力學(xué)特性。同時研制了可預(yù)制任意角度，條數(shù)，不同間距的三維裂隙試件模具，因此可方便制作出含二維或三維裂隙的塊體試件。
　　 本文通過單軸壓縮試驗，研究了該透明脆性材料的三維裂紋產(chǎn)生，擴

4、展與貫通的過程，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線，泊松比系數(shù)隨時間變化規(guī)律和試驗時觀察到的現(xiàn)象，可以將其過程分為初始壓密，彈性變形，次生裂紋萌生和匯合，裂紋加速擴展，試件整體破壞四個階段，試驗結(jié)果表明，與二維裂紋擴展相比，三維裂紋擴展形態(tài)更加復(fù)雜，有花瓣狀裂紋、包裹式翼裂紋和魚鰭狀裂紋等，完整試件抗壓強度明顯大于三維裂隙試件強度，變形量小于三維裂隙試件，試件破壞方式主要以劈裂破壞為主。把構(gòu)成三維裂隙試件材料的單元看成是表征體元REV(represent

5、ativeelement volume)，試件破壞過程看成是表征體元的不斷損傷累積的過程，利用FLAC3D中的F1SH語言編制了考慮材料體元參數(shù)軟化脆性破壞模型的數(shù)值計算程序，模擬了三維裂隙試件三維裂紋萌生，擴展，貫通及破壞過程。分析了在單軸壓縮和雙軸壓縮模擬條件下不同傾角和間距試件的起裂和貫通時對應(yīng)的應(yīng)力，時間及損傷區(qū)的規(guī)律以及各類試件強度比較，數(shù)值模擬結(jié)果表明，脆性材料三維裂隙擴展與貫通過程比二維裂隙擴展更加復(fù)雜，其中以包裹式裂紋，