含贯穿裂隙试件在双轴和水压力作用下扩展试验和数值模拟研究

发布时间：2018-01-17 20:29

本文关键词：含贯穿裂隙试件在双轴和水压力作用下扩展试验和数值模拟研究　出处：《山东大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：自然界中广泛存在的岩石所含有的裂隙、空隙等不仅是由在成岩过程中自身环境(物理、化学等)的影响而产生,而且还受到外部环境的影响(构造运动、地震、火山爆发等)。在外部荷载的作用下,岩石中随机遍布的微小缺陷会相互的扩展、贯通,最终引起材料的损伤演化及破坏形态。而岩石作为构成地下铁路、隧道、水利水电工程等与人类生活息息相关的大型工程的最为重要的材料,对岩石的变形及其破坏机制对于解决与地下工程相关的灾害的研究具有十分重要的意义。前人的研究主要集中在节理岩体的单轴及其常规三轴试验方面,但对地下工程而言,其大多处于双向受力状态,因此有必要研究在双向轴压作用下含裂隙的岩石试件的扩展机制和破坏规律。此外,随着工程规模的不断变大,地下硐室不仅受到上部岩体的作用,而且地下水也在影响着地下硐室的稳定性,因此开展水压和轴压作用下裂隙岩体破坏规律的研究,也同样势在必行。由于含三维内置裂隙的类岩石水泥砂浆试件在水压和轴压作用下的试验现象不便于观察,本文使用了含贯穿裂隙的类岩石试件作为研究对象,研究了在轴压和水压作用下,含贯穿裂隙的类岩石试件的裂纹的始裂、扩展和破坏规律。本文主要开展和完成的工作如下:1、实验中发现原始试验机的对中存在问题,即试件在压缩过程中处于偏心受压状态,因此对试验机的对中装置进行了改进。具体改进措施是:将原来试验机的加载端部由固定式换成了球形铰,解决了岩石试件在受压过程中的偏心问题,整套装置操作便捷,精度高,可以满足实验要求的精度。2、制作了由水泥砂浆构成的类岩石试件,并使用改进后的试验机开展了裂隙试件在不同侧压下的双轴压缩试验。通过施加不同侧压,可以发现:侧压力为0时,裂纹的扩展方向沿着最大压应力的方向扩展;当预制裂纹倾角一定时,随着裂纹数量的增加,试件的峰值强度呈递减趋势;当预制裂纹数量一定时,随着预制裂纹倾角的增加,试件的峰值强度同样呈递减趋势。而且随着裂纹数量的增加,翼裂纹的扩展先后顺序也发生了变化。侧压力为完整试件单轴抗压强度的10%时,由于侧向压力的侧向约束作用,裂纹的始裂应力相应提高,试件的破坏模式也发生了变化,比侧压为0时的破坏模式更为复杂。总体来看,单轴受压时裂纹的扩展规律与双轴受压时的扩展规律类似,裂纹的萌生和扩展主要是从原裂隙尖端产生的翼裂纹开始,而且双轴压缩作用下,试件尖端不仅会有翼裂纹产生,还会产生反翼裂纹,且这两种裂纹的扩展速率明显慢于单轴压缩时的裂纹扩展速率。3、开展了含裂隙的类岩石试件在水岩耦合作用下的破坏机理研究工作。首先对制作类岩石试件的水泥砂浆原料的配比进行了大胆的尝试,经过多次实验,最终确定了在水泥砂浆掺入硅烷基憎水剂的实验方案,该配比可以保持注入到试件内部的内水压力,其次针对含贯穿裂隙试件在加水压时,水会从水泥砂浆预制裂隙中流走的问题,设计研发了一套研究水岩耦合作用的模具,该模具能够将注入到试件内部的水流密封在试件内部不流失,从而保证实验的顺利进行。4、开展了含贯穿裂隙试件在水岩耦合作用下的室内压缩实验。实验结果表明,内水压力的存在会加快岩石的破坏过程和降低试件的峰值强度,这是由于内水压力的存在改变了预制裂纹范围内的应力场,从而使得岩石的始裂速率快于无水压作用下岩石的始裂速率,并且在预制裂纹始裂以后,水在裂纹尖端处的顶托和楔入作用也加速了试件的破裂过程。5、基于张拉破坏-剪切残余准则改进的弹脆性本构模型,模拟了含裂隙试件在不同侧压情况下裂纹始裂和扩展过程。对比分析了三种不同侧压力下裂隙试件的裂纹始裂、扩展过程和峰值强度,结果表明:施加侧向压力后,试件的始裂和破坏过程会相对延缓,而且侧向压力越大,试件的破坏越缓慢,破坏时的峰值强度越大。6、基于改进的弹脆性模型确定了某地下硐室主厂房范围内节理岩体的力学参数,并将数值模拟计算得到的地质参数应用到该工程洞室开挖后的稳定性分析。
[Abstract]:The fractures , voids , etc . , which are widely present in nature , are caused not only by the influence of their own environment ( physical , chemical , etc . ) in the process of diagenesis , but also by the external environment ( tectonic movement , earthquake , volcanic eruption , etc . ) . In this paper , it is necessary to study the crack initiation , expansion and destruction of rock specimens with cracks under the action of water pressure and axial pressure . The experimental results show that the crack initiation rate is faster than the crack growth rate at the time of uniaxial compression . The experimental results show that the crack initiation rate of the test piece is slower than the crack propagation rate at the time of uniaxial compression .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

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