含貫穿裂隙試件在雙軸和水壓力作用下擴(kuò)展試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究.pdf

1、自然界中廣泛存在的巖石所含有的裂隙、空隙等不僅是由在成巖過(guò)程中自身環(huán)境（物理、化學(xué)等）的影響而產(chǎn)生，而且還受到外部環(huán)境的影響（構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震、火山爆發(fā)等）。在外部荷載的作用下，巖石中隨機(jī)遍布的微小缺陷會(huì)相互的擴(kuò)展、貫通，最終引起材料的損傷演化及破壞形態(tài)。而巖石作為構(gòu)成地下鐵路、隧道、水利水電工程等與人類(lèi)生活息息相關(guān)的大型工程的最為重要的材料，對(duì)巖石的變形及其破壞機(jī)制對(duì)于解決與地下工程相關(guān)的災(zāi)害的研究具有十分重要的意義。前人的研究主要集中

2、在節(jié)理巖體的單軸及其常規(guī)三軸試驗(yàn)方面，但對(duì)地下工程而言，其大多處于雙向受力狀態(tài)，因此有必要研究在雙向軸壓作用下含裂隙的巖石試件的擴(kuò)展機(jī)制和破壞規(guī)律。此外，隨著工程規(guī)模的不斷變大，地下硐室不僅受到上部巖體的作用，而且地下水也在影響著地下硐室的穩(wěn)定性，因此開(kāi)展水壓和軸壓作用下裂隙巖體破壞規(guī)律的研究，也同樣勢(shì)在必行。由于含三維內(nèi)置裂隙的類(lèi)巖石水泥砂漿試件在水壓和軸壓作用下的試驗(yàn)現(xiàn)象不便于觀(guān)察，本文使用了含貫穿裂隙的類(lèi)巖石試件作為研究對(duì)象，研究

3、了在軸壓和水壓作用下，含貫穿裂隙的類(lèi)巖石試件的裂紋的始裂、擴(kuò)展和破壞規(guī)律。本文主要開(kāi)展和完成的工作如下:
　　1、實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)原始試驗(yàn)機(jī)的對(duì)中存在問(wèn)題，即試件在壓縮過(guò)程中處于偏心受壓狀態(tài)，因此對(duì)試驗(yàn)機(jī)的對(duì)中裝置進(jìn)行了改進(jìn)。具體改進(jìn)措施是:將原來(lái)試驗(yàn)機(jī)的加載端部由固定式換成了球形鉸，解決了巖石試件在受壓過(guò)程中的偏心問(wèn)題，整套裝置操作便捷，精度高，可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的精度。
　　2、制作了由水泥砂漿構(gòu)成的類(lèi)巖石試件，并使用改進(jìn)后的試

4、驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了裂隙試件在不同側(cè)壓下的雙軸壓縮試驗(yàn)。通過(guò)施加不同側(cè)壓，可以發(fā)現(xiàn):側(cè)壓力為0時(shí)，裂紋的擴(kuò)展方向沿著最大壓應(yīng)力的方向擴(kuò)展;當(dāng)預(yù)制裂紋傾角一定時(shí)，隨著裂紋數(shù)量的增加，試件的峰值強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì);當(dāng)預(yù)制裂紋數(shù)量一定時(shí)，隨著預(yù)制裂紋傾角的增加，試件的峰值強(qiáng)度同樣呈遞減趨勢(shì)。而且隨著裂紋數(shù)量的增加，翼裂紋的擴(kuò)展先后順序也發(fā)生了變化。側(cè)壓力為完整試件單軸抗壓強(qiáng)度的10％時(shí)，由于側(cè)向壓力的側(cè)向約束作用，裂紋的始裂應(yīng)力相應(yīng)提高，試件的破壞模式也發(fā)

5、生了變化，比側(cè)壓為0時(shí)的破壞模式更為復(fù)雜?？傮w來(lái)看，單軸受壓時(shí)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律與雙軸受壓時(shí)的擴(kuò)展規(guī)律類(lèi)似，裂紋的萌生和擴(kuò)展主要是從原裂隙尖端產(chǎn)生的翼裂紋開(kāi)始，而且雙軸壓縮作用下，試件尖端不僅會(huì)有翼裂紋產(chǎn)生，還會(huì)產(chǎn)生反翼裂紋，且這兩種裂紋的擴(kuò)展速率明顯慢于單軸壓縮時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率。
　　3、開(kāi)展了含裂隙的類(lèi)巖石試件在水巖耦合作用下的破壞機(jī)理研究工作。首先對(duì)制作類(lèi)巖石試件的水泥砂漿原料的配比進(jìn)行了大膽的嘗試，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定了在水

6、泥砂漿摻入硅烷基憎水劑的實(shí)驗(yàn)方案，該配比可以保持注入到試件內(nèi)部的內(nèi)水壓力，其次針對(duì)含貫穿裂隙試件在加水壓時(shí)，水會(huì)從水泥砂漿預(yù)制裂隙中流走的問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套研究水巖耦合作用的模具，該模具能夠?qū)⒆⑷氲皆嚰?nèi)部的水流密封在試件內(nèi)部不流失，從而保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
　　4、開(kāi)展了含貫穿裂隙試件在水巖耦合作用下的室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)水壓力的存在會(huì)加快巖石的破壞過(guò)程和降低試件的峰值強(qiáng)度，這是由于內(nèi)水壓力的存在改變了預(yù)制裂紋范圍內(nèi)

7、的應(yīng)力場(chǎng)，從而使得巖石的始裂速率快于無(wú)水壓作用下巖石的始裂速率，并且在預(yù)制裂紋始裂以后，水在裂紋尖端處的頂托和楔入作用也加速了試件的破裂過(guò)程。
　　5、基于張拉破壞-剪切殘余準(zhǔn)則改進(jìn)的彈脆性本構(gòu)模型，模擬了含裂隙試件在不同側(cè)壓情況下裂紋始裂和擴(kuò)展過(guò)程。對(duì)比分析了三種不同側(cè)壓力下裂隙試件的裂紋始裂、擴(kuò)展過(guò)程和峰值強(qiáng)度，結(jié)果表明:施加側(cè)向壓力后，試件的始裂和破壞過(guò)程會(huì)相對(duì)延緩，而且側(cè)向壓力越大，試件的破壞越緩慢，破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度越大。