渗透压下平面裂隙启裂性质的理论分析与试验验证

发布时间：2020-07-26 10:10

【摘要】：地下隧道开挖工程中围岩的稳定性受到围岩中节理裂隙的重要影响,且地下工程往往有裂隙水的存在。为避免因为裂隙的启裂扩展而引发的工程事故,需研究渗透水压下裂隙的启裂机理以及水压力和裂隙几何尺寸等因素对裂隙启裂特性的影响,具有重要工程意义。研究裂隙在什么受力状态下达到极限状态,才能更好的选择适当的施工工艺和工程材料、安排工程进程,进而在保证工程的安全性的基础上,达到更优的性价比。前人关于裂隙的研究多是三维内置裂隙,三维内置裂隙的室内试验存在不易观察其内部发展的缺陷,数值模拟研究多采用PFC和FLAC 3D等离散元软件,具有前处理功能较差、运算速度低、颗粒数量受限等缺点。本文研究对象为具有代表意义的二维贯穿裂隙,采用预制有贯穿裂隙的水泥砂浆试件进行室内试验,可以直观的看到裂隙的启裂扩展过程。采用耦合了有限元和离散元的GDEM数值模拟软件对试验过程和隧道开挖进行了模拟。GDEM软件采用GPU并行技术,计算速度快,且其数值计算方法适用于岩土和隧道工程的模拟。本文主要开展和完成工作如下:(1)对比探讨了岩石力学中常用的几个断裂准则的判断标准、优缺点及其适用范围。建立岩体裂隙的力学模型,根据裂隙受力状态推导得到裂隙尖端的Ⅰ型和Ⅰ型应力强度因子。基于本文研究对象的特点和断裂准则的讨探,选择周群力压剪判据式来计算预制裂隙的启裂强度表达式,选择最大周向应力理论来计算预制裂隙的启裂角度表达式。并对裂隙受压闭合后的启裂强度进行了推导。(2)含裂隙水预制平面裂隙的单轴压缩室内试验,试验材料采用类岩石的水泥砂浆材料,浇筑预制有二维贯穿裂隙的试件,并在试件中预留注水孔。分别控制裂隙水压力、预制裂隙倾角、裂隙厚度等影响因素,记录试验裂隙启裂过程。得到试件的应力应变曲线,试验结果与理论解析解对比分析表明,预制裂隙的启裂方向随着裂隙倾角、水压力和裂隙厚度的增加而偏向裂隙原本方向,随着水压力的增加,试验记录得到的预制裂隙启裂强度变小,即裂隙水的存在促进了预制裂隙的启裂。(3)使用商业软件Ansys计算裂隙尖端应力强度因子,与解析解进行对比相互印证验证。采用Gmsh软件建模然后GDEM软件模拟渗透压下二维裂隙的启裂扩展,并探讨GDEM软件中预制裂隙尖端裂纹的形状对模拟结果的影响。采用GDEM软件模拟隧道开挖围岩稳定性,通过监测点记录的围岩变形等数据来探讨隧道尺寸、开挖方式、隧道周围环境和围岩节理因素对围岩稳定性的影响,结果标明围岩中节理的存在使隧道四周围岩因为开挖而产生的变形和应力增大。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U452.12
【图文】：

呈均匀分布。岩块本身为不透水介质，即含水压裂隙中的水压力作为面力作用于逡逑裂纹表面。逡逑压剪状态下含水压预制平面裂纹模型如图２－１所示。其中，巧和％为远场逡逑压应力，ｃｒ３＝Ａｃ７，，岩体内部存在一条具有厚度的斜裂纹，裂纹尖端简逡逑化为两个半圆，曲率半径为裂纹长度为２ａ，《为裂纹与％方向的夹角；Ｐ为逡逑裂纹内部水压力；０为裂隙启裂角度。依据断裂力学理论和实验观察，裂纹尖端逡逑存在应力集中，预制裂纹在压剪状态下闭合之前具有开度，裂纹两段为两段圆弧，逡逑故没有应力奇异问题，一般是通过裂纹边缘尖端部分的应力分布判断其是否启逡逑１０逡逑

邋＝逦去［（0？【＋（Ｊ３邋）＋（0■，邋－＜ｒ３邋）ｃｏｓ（２ｏｒ邋－Ｊｎａ邋0邋（２－４）逡逑切向应力Ａ对预制裂隙的边缘起到拉伸作用，其拉伸应力的最大值出现在逡逑裂隙尖端，大小等于切向应力Ａ［５（）］，如图２－２所示。逡逑Ｔ１＇邋Ｊｌｒ邋ｒ逡逑°ｒ—＾－Ｔｉ邋ｉ邋ｉ邋｛，！｝邋Ｔ邋ｒｒＰＨ—0ｒ逡逑图２－２裂隙受力状态图逡逑Ｆｉｇ邋２－２邋Ｃｒａｃｋ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｔａｔｅ逡逑裂隙尖端部位的拉伸应力产生的ｉ型应力强度因子为：逡逑＝邋ａＴ－Ｊｐ邋／邋ａ－Ｊｎａ邋＝邋＜！＋［（0■，邋＋ｃｒ３邋）－（0？，－0？，邋）ｃｏｓ邋（２ｏｒ逦ｙｊｐ邋／邋ａ邋Ｊｎａ邋0邋（２－５）逡逑根据线弹性断裂力学叠加原理，裂隙边缘的Ｉ型应力强度因子为：逡逑＆邋＝尤「＋邋＾＾。由公式（２－４）逦（２－５）可以看出法向压应力％对于预制裂隙的逡逑扩展起抑制作用，而是对预制裂隙的扩展起促进作用。预制裂隙Ｉ型裂纹的逡逑１２逡逑

图２－３应力圆和抗剪强度曲线逡逑Ｆｉｇ邋２－３邋Ｓｔｒｅｓｓ邋ｃｉｒｃｌｅ邋ａｎｄ邋ｓｈｅａｒ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ邋ｃｕｒｖｅ逡逑如图２－３所示，当莫尔应力圆和抗剪强度线相切时，该点处于极限平衡状态。逡逑应力圆和抗剪强度线相离时，该点的状态安全是弹性平衡状态。当一点的应力圆逡逑直径大到和强度线相割时，该点处于破坏状态。逡逑莫尔库伦强度理论实际操作性强，使用起来简单方便，且使用该理论可以较逡逑好的解释岩石材料抗压强度远远大于抗拉强度的特点。不仅可以适用于脆性岩逡逑石，还可以用于岩体的塑性断裂。但莫尔库伦强度准则是根据试验得来的强度准逡逑贝ＩＪ，绘制的抗剪强度线和实际情况常有出入，没有考虑到岩石中结构面之间的相逡逑互影响。逡逑（２）邋Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ邋强度准则逡逑１５逡逑

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈黄浦,邓增杰;高强度结构钢的韧性启裂和稳态扩展[J];金属学报;1989年06期

2 李旭东;2Cr13钢弯曲载荷下裂纹启裂韧性的力学估计[J];热力发电;1989年01期

3 何泽轩;;水力压裂裂缝启裂扩展数值模拟[J];石油化工应用;2017年08期

4 刘瑞堂;周志方;张秀梅;果春焕;;一种确定延性金属静动态启裂点的新方法[J];机械强度;2007年04期

5 罗志昌,田燕,李乃选,闻人琪;氢致延迟裂缝的启裂及扩展过程的研究[J];焊接学报;1981年01期

6 林宏;秦平彦;周金华;;启裂COD测试方法的试验研究[J];试验机与材料试验;1985年05期

7 李旭东;2Cr13钢在弯曲爱载下工程裂纹启裂的实际估计[J];汽轮机技术;1990年03期

8 杨尚林,刘爱东,曹茂盛;金属韧性启裂的微观模型[J];哈尔滨工程大学学报;1999年04期

9 李旭东;;2Cr13钢在弯曲受载下工程裂纹启裂的实际估计[J];工程力学;1990年02期

10 魏安安;尤一匡;陆怡;高光藩;汪磊;;压力容器焊缝咬边疲劳裂纹的启裂寿命[J];机械工程学报;2006年09期

相关会议论文 前4条

1 王金伟;刘捷;;静载下箱体主轴承座启裂数值分析[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年

2 卢振业;李世愚;滕春凯;刘绮亮;;三维(广义)成核实验[A];1999年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十五届年会论文集[C];1999年

3 卢振业;李世愚;滕春凯;刘绮亮;;三维(广义)成核实验[A];中国地震学会第七次学术大会论文摘要集[C];1998年

4 方健;丁富连;魏毅静;王承忠;;单试样示波冲击法测定材料动态断裂特性的试验研究[A];中国金属学会2003中国钢铁年会论文集（2）[C];2003年

相关博士学位论文 前2条

1 邱宝象;基于连续累积损伤的疲劳启裂和裂纹扩展的统一模型[D];浙江工业大学;2009年

2 李正军;基于最小耗能原理水力压裂裂缝启裂及扩展规律研究[D];东北石油大学;2011年

相关硕士学位论文 前6条

1 谢雅娟;渗透压下平面裂隙启裂性质的理论分析与试验验证[D];山东大学;2019年

2 王晓骋;水压作用下拉剪复合型裂纹启裂特性研究[D];大连理工大学;2016年

3 卢丽鹃;1070钢滚动接触疲劳启裂、扩展机制及数值模拟研究[D];浙江工业大学;2014年

4 栗爽;水平井多段压裂裂缝启裂扩展研究[D];东北石油大学;2013年

5 鞠旺;单轴压缩下三维槽型裂纹扩展和连接过程的相似模型试验研究[D];重庆大学;2015年

6 姚晓利;45钢材料Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的实验研究[D];西安理工大学;2008年

本文编号：2770627