水压环境下含裂隙类岩材料单、双轴压缩实验和PFC数值模拟研究

发布时间：2020-08-28 04:39

【摘要】：裂隙岩体是地下工程中常见的复杂的非均质介质,在受外部应力扰动的作用下,岩石中的微裂隙会逐渐扩展和相互贯通,最后导致岩体结构损伤断裂和失稳破坏,而裂隙水压力对岩体变形和强度特征的影响也十分显著。如今许多与岩体有关的大型工程都与裂隙水压息息相关,研究裂隙水压对岩体裂隙始裂及扩展的影响对解决地下工程安全问题有着十分重要的意义。目前,由于地下工程大多处于双向受力状态,对于裂隙岩体双向轴压作用下的裂隙起裂和扩展规律的研究是必不可少的。对于裂隙水压和轴压共同下的室内试验,试样大多为三维内置裂隙,且对于实验现象的观察十分不便,本文采用水泥砂浆类岩材料制作的含二维和三维裂隙试件,进行了在轴压和多种裂隙水压下裂纹扩展的室内实验研究,并借助声发射检测技术,研究压缩过程中裂隙水压对声发射特征参数变化的影响。完成的相关工作和结论本如下:1、开展无水压时预制裂隙的单轴和双轴压缩实验,获得相应的应力应变曲线,分析裂纹起裂和扩展模式,讨论了裂隙倾角与数目以及侧压对裂纹起裂应力和峰值强度的影响。单轴压缩时裂隙起裂角在69°～72°之间,起裂应力在峰值强度的40%～50%之间,裂隙始裂应力和破坏强度随着预制裂隙条数增加而减小,极限破坏强度随着裂隙角度的逐渐增大呈现出先减小后增大的趋势。双轴压缩时裂隙尖端的翼裂纹的起裂和扩展受阻,试件最终破坏形式大多为沿次生裂纹发生的剪切破坏,且加侧压时,双裂隙之间裂纹贯通发生在裂隙面上而不是尖端。侧压越大,试件的起裂应力和峰值强度得到的增强越大,裂隙倾角为45°时峰值强度增强尤为明显。2、为开展了含二维裂隙的类岩石试件在水岩耦合作用下的裂纹扩展机理研究工作,设计研发了一套研究水岩耦合作用的模具,该模具能够有效防止裂隙水流出,从而保证实验的顺利进行。3、含二维裂隙试件在裂隙水压和轴压共同作用下的实验结果表明,裂隙水压力降低了裂纹的始裂应力和起裂角,水压的存在使裂隙表面的正应力减小,增大了裂隙面的有效剪切驱动力,促进了裂纹的萌生和扩展,使得试件的峰值强度有所降低,水压越大时,起裂应力、起裂角和峰值强度越小,试件破坏主要为张拉破坏,裂纹形态以翼裂纹为主,且裂纹扩展迹线随水压增大逐渐向轴压方向靠近。4、开展预制三维内置裂隙在不同裂隙水压下压缩实验,结合声发射监测技术研究裂隙水压对裂纹扩展和声发射特征参数变化的影响。裂隙水压越大试件峰值强度越小,张拉作用产生的翼裂纹扩展更为明显。不同水压下试样的声发射都经历了初始压密区、上升区、峰值区和下降区四个阶段,裂隙水压的存在使压密阶段变长,且这一阶段声发射活动较为密集,声发射事件率与声发射能率在试件达到应力峰值之前达到峰值,且水压越大时,声发射活动达到的峰值较之之前时刻更为显著,可作为岩石破坏前的征兆进行预测。5、颗粒流PFC2D程序能很好地模拟含不同倾角和数目的裂隙试样的压缩破裂实验,直观的表现裂纹的起裂的扩展过程。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45

【参考文献】

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本文编号：2807117