脆性材料中三維裂隙斷裂試驗、理論與數(shù)值模擬研究.pdf

1、巖體中原生裂隙的起裂、擴(kuò)展和貫通演化特性、破裂模式及其對工程巖體強(qiáng)度及滲流特性的影響一直為工程地質(zhì)界、巖石力學(xué)界和相關(guān)工程界所重視。由于三維裂隙巖體問題的復(fù)雜性，以往的研究大多將三維問題簡化為二維問題來研究，并取得了較為系統(tǒng)的研究成果。但是裂隙巖體的二維簡化模型往往會丟失許多裂紋擴(kuò)展與貫通過程的三維信息。因此，近年來三維裂隙巖體的斷裂損傷機(jī)理及其力學(xué)特性的研究逐漸成為裂隙巖體工程領(lǐng)域的重要課題之一，對于裂隙巖體工程的設(shè)計、施工和長期穩(wěn)定

2、性的維護(hù)具有極其重要的指導(dǎo)作用，對于地震地質(zhì)學(xué)科和地球物理研究領(lǐng)域也具有一定理論意義。 針對三維裂隙巖體試驗?zāi)Ｐ筒牧系倪x取問題，在總結(jié)以往試驗材料的基礎(chǔ)上，研制出兩種不同的脆性材料，一種是透明性良好的低溫脆性聚酯樹脂材料，其拉壓比可達(dá)1/5，優(yōu)于以往的其他模擬材料，該材料屬于均質(zhì)材料，并可清晰地觀察到試樣內(nèi)裂紋擴(kuò)展的三維狀態(tài)；另一種是類巖石材料，其脆性程度非常好，拉壓比可達(dá)1/23。 分析了巖體在斷裂過程中的裂隙效應(yīng)和裂

3、隙的維數(shù)效應(yīng)及裂隙萌生的基本力學(xué)模式，給出了單軸壓縮條件下幾種新生裂紋的定義，如：翼裂紋、反翼裂紋、包裹式翼裂紋和貝殼狀裂紋等。采用室內(nèi)宏、細(xì)觀力學(xué)試驗研究了不同脆性材料中三維裂紋萌生、擴(kuò)展及其貫通的演化過程。采用透明樹脂材料的試驗結(jié)果表明：三維裂隙起裂、擴(kuò)展是以包裹式翼裂紋為主要擴(kuò)展模式的；并在實驗中獲得了一些以往研究中所未觀察到的裂紋擴(kuò)展模式，如穿越裂紋、花瓣狀裂紋等。對于不透明的真實巖石及類巖石材料，在單軸壓縮狀態(tài)下，試樣破裂后可

4、以清楚地觀察到包裹式翼裂紋的擴(kuò)展，但無法在這類材料中區(qū)分到其他形式的裂紋。此外，材料的均勻性將影響含三維裂隙的最終斷裂形態(tài)。含三維裂隙的均勻樹脂試樣最終是以劈裂破壞為主的，但在類巖石材料試樣卻是以剪切斷裂的。這樣，可根據(jù)巖體表面上的斷裂跡線與預(yù)制裂隙方位之間的關(guān)系推定巖體內(nèi)三維裂隙的賦存狀態(tài)，為確定裂隙巖體的錨固方式提供參考。采用三維聲發(fā)射定位技術(shù)研究了類巖石材料中內(nèi)置裂隙單軸壓縮條件下的斷裂模式及其聲發(fā)射特征，提出三維裂隙起裂強(qiáng)度的判

5、定方法，并可判定三維裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展與失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，為工程檢測巖體裂隙破裂的演化狀態(tài)提供一種新解決方案。此外，還討論了一定條件下三維裂隙間距和密度對巖體強(qiáng)度的影響。 在單軸壓縮荷載作用下，裂隙深度比d/t(d，為裂隙深度；f為試樣的厚度)直接影響三維裂紋的擴(kuò)展過程和斷裂模式。實驗結(jié)果表明：在單軸壓縮荷載作用下，當(dāng)裂隙深度比d/t<0.6時，巖石中表面裂隙(非穿透裂隙)的擴(kuò)展模式與穿透裂隙擴(kuò)展模式有著本質(zhì)的不同，反翼裂紋模式成為試樣破

6、裂的主導(dǎo)方式，且反翼裂紋的起裂位置并不在預(yù)制裂隙尖端處，而是預(yù)制裂隙端部附近的某一區(qū)域；次生的翼裂紋只在試驗后期出現(xiàn)。當(dāng)d/t>0.6時，表面裂隙以主要翼裂紋模式斷裂。在砂巖試樣亦觀察到相似的現(xiàn)象。聲發(fā)射定位結(jié)果亦支持了這一全新的試驗現(xiàn)象，并且表明裂紋的起裂是從試樣的內(nèi)部開始的。此外，對于表面裂隙，表面裂隙傾角α對巖樣的起裂應(yīng)力影響很顯著。 根據(jù)經(jīng)典的脆性斷裂力學(xué)理論和彈性理論，研究了三維裂隙擴(kuò)展的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，推導(dǎo)出單軸壓縮

7、條件下考慮Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ完全復(fù)合型三維裂隙前緣逐點的應(yīng)力狀態(tài)的計算公式，討論了裂隙邊界上各點的最大拉應(yīng)力、破裂面彎角和扭角的變化情況，用數(shù)值方法確定了破裂面的起裂位置及起裂方向。理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果取得了很好的一致性。 脆性材料的斷裂過程可看成是構(gòu)成材料的表征體元RVE(representative volume element)損傷累積的過程。在數(shù)值計算中，基于快速拉格朗日方法，利用FLAC3D中的FISH語言編制了考慮材料體元