含三维裂隙试件在双轴压力和水压作用下压裂试验与数值模拟研究

发布时间：2017-04-14 10:17

  本文关键词：含三维裂隙试件在双轴压力和水压作用下压裂试验与数值模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：工程岩体的失稳和破坏,很大程度上是由其内部原生裂隙的扩展和相互贯通导致的,裂隙水的流固耦合作用对岩体强度和力学特性的影响也非常显著。由于开展三维试验的复杂性和不透明度的岩石类材料难以直接观测等原因,三维裂隙组扩展与贯通过程的试验结果发表的还很少。前人的研究一般是在平板岩石样品上预制穿透切缝,研究在单轴或双轴加载条件下单裂隙或多裂隙的扩展过程及伴随的物理现象。近年来,三维裂隙的扩展机制和破坏规律研究,已成为岩石力学领域的重要课题,对复杂应力下三维裂隙岩体的破裂机理仍需要更深入的研究。此外,地下水的作用也和许多工程岩体的失稳密切关联,因此开展在含有内水压力条件下裂隙岩体的破裂规律和特性研究,也有很高的重要性。本文采用理论分析、室内试验和数值模拟等方法,研究了在单、双轴压力和水压作用下,含内置三维裂隙的类岩石树脂试件的裂纹萌生、扩展规律和破坏机制,借助细观理论方法,揭示了次生裂纹的扩展形态和试件破坏规律。最后,将本文的裂隙岩体损伤模型引入到某边坡开挖工程的裂隙扩展过程研究和稳定性分析中。本文主要开展和完成的工作如下：(1)最新研制了一种类岩石透明树脂材料,其脆性度(抗拉和抗压强度比)在-10～-15℃温度下可达到1/6.6,相比前人达到的1/3,其脆性特性有了大幅提高。该材料与岩石的基本特征相符,其力学参数接近大理岩等岩石,因此很大程度上可以在试验研究中模拟这些岩石；而且其透明性也大幅提高、照片清晰度比前人明显改善,肉眼能清晰地观测到其内部裂纹的扩展过程,使人们从直观上就可以理解裂纹的演化规律。基于该新型材料,又研制了含内置中空裂隙的试件,采用该试件及作者设计的试验设备和方法,开展了在水压作用下内置裂隙试件的单、双轴压缩试验,研究了不同水压和侧压情况下含内置单裂隙试件的裂纹扩展规律和破裂过程。(2)通过开展单、双轴(不同侧压)下预埋三维裂隙试件的压缩试验,研究了不同数目内置三维裂隙试件的次生裂纹萌生、扩展和贯通破裂规律。试验结果表明,试件的破坏大致经历四个阶段,并有明显的扩容特性,与岩石试验结果相当一致。试验中除了观察到常见的包裹状翼裂纹、花斑形裂纹和花瓣形裂纹,还发现到了前人未曾发现但与理论推测一致的包裹状反翼型裂纹、似包裹状和巨形似包裹状破裂以及花瓣形裂纹的不同形成机制。使用该材料制作的树脂试件是均质和各向同性的,除预埋裂隙外,没有其它任何缺陷,所以其压缩试验可认为是无其它干扰的情况下,仅因内置裂隙而引起的破坏过程。均质材料试验与非均质相比,两者在裂纹萌生和扩展初期规律大体相同,但最终破坏形式上有所不同,非均质材料所含的不均质缺陷会在中后期产生较大影响。(3)进行了水压作用下,不同内水压力和侧压时内置单裂隙试件的单、双轴压缩试验。试验结果表明,有水压与无水压条件下,裂隙试件的破裂现象和过程有相同和不同之处：试验中在椭圆形预埋裂隙的长轴端部均产生了包裹状翼裂纹；有水压条件下,没有出现花瓣状裂纹,同时次生裂纹的萌生应力和试件劈裂破坏时的应力更小,即水压作用会降低试件的承载能力,且水压越大,次生裂纹萌生应力和试件破坏时的应力越小。(4)在FLAC3D软件框架内建立了一种新的弹脆性本构关系,并采用超细单元和合理形态的网格建模,先以二维工况验证该弹脆性模型的适用性,然后模拟了内置单裂隙和双裂隙试块在单、双轴加载条件下的破裂过程,数值模拟结果与本文相应试验相符良好。通过计算裂隙试件在不同侧压条件下的破坏过程,可以发现：侧压上升后,试件的扩容点、峰值强度和次生裂纹萌生应力都随之上升,且次生裂纹的扩展形态有较大不同。注：关于该计算方法,也可参照作者已发表论文“节理岩体裂隙扩展过程一种新改进的弹脆性模拟方法及应用”。(5)在无水工况数值模拟模型的基础上,加入FLAC3D软件的裂隙岩体渗流模型,进行有内水压力条件下裂隙岩体的渗流特性研究,模拟了不同水压力和不同初始应力条件,两种情形下内置单裂隙试件的破坏规律。水压越大,次生裂纹萌生应力和试件峰值强度均越小。水压致裂试验的数值计算结果表明：试件最终破坏时,贯通破裂面均和最小主应力垂直；当垂直主应力比水平主应力小时,会沿着水平方向破坏,如果垂直主应力比水平主应力大,则沿垂直方向破坏。(6)将改进的FLAC3D弹脆性本构模型和裂隙岩体流固耦合模型,引入到某虚拟边坡开挖工程的裂隙扩展过程研究和稳定性分析中,对比分析了无水和有水作用下边坡开挖的过程,其结果能基本上反应出边坡开挖时岩体的破坏过程和规律,特别是由于模型采用了细观计算法,计算结果能很好反应边坡岩体中原生裂隙的演化规律和渗流对边坡开挖的影响。
【关键词】：三维裂隙 透明类岩石试件 双轴压力 水压致裂 渗流 数值模拟
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-28
• 1.1 研究目的和意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-25
• 1.2.1 节理岩体裂隙扩展和破裂规律的块体模型试验17-21
• 1.2.2 节理岩体裂隙扩展和破裂规律的数值模拟研究21-22
• 1.2.3 节理岩体流固耦合和水压致裂研究22-25
• 1.3 本文的主要研究内容和方法25-28
• 1.3.1 主要研究内容26
• 1.3.2 研究方法26-28
• 第二章 节理岩体理论、水压致裂应用和试验设计28-42
• 2.1 脆性岩石的裂隙扩展和破坏规律28-30
• 2.1.1 脆性岩块在单轴压缩条件下的应力应变曲线28-29
• 2.1.2 脆性岩石的一般破坏形式29-30
• 2.1.3 脆性岩石的基本特征30
• 2.2 水压致裂法的工程应用30-35
• 2.2.2 水压致裂法测量地应力过程30-32
• 2.2.3 地应力反演原理和计算32-35
• 2.2.4 测量方法分析35
• 2.3 透明脆性类岩石材料含裂隙试件制备35-40
• 2.3.1 试验材料的选择35-36
• 2.3.2 新型树脂材料及其调配36-38
• 2.3.3 内置三维裂隙的制作及选材38
• 2.3.4 模具和裂隙的预置方案38-39
• 2.3.5 配制和浇注树脂材料39
• 2.3.6 模型试件的养护与磨光成型39
• 2.3.7 加载设备39-40
• 2.4 小结40-42
• 第三章 含预埋三维裂隙试件在多轴压力下的破裂过程42-68
• 3.1 单裂隙试件的试验结果42-52
• 3.1.1 单轴加载下内置单裂隙试件的破裂过程42-47
• 3.1.2 不同倾角单裂隙试件单轴下破裂过程分析47-49
• 3.1.3 双轴加载下不同侧压时单裂隙试件的破裂过程49-50
• 3.1.4 二维和三维裂隙扩展的对比50-52
• 3.2 双裂隙试件的试验结果52-64
• 3.2.1 单轴下四种不同错距内置双裂隙试件的破裂过程52-60
• 3.2.2 不同错距双裂隙试件扩展过程分析60-62
• 3.2.3 双轴加载下不同侧压时双裂隙试件的破裂过程62-64
• 3.3 三裂隙试件的试验结果64-65
• 3.4 均质类岩石材料与非均质类岩石材料试验结果对比65-66
• 3.5 小结66-68
• 第四章 水压致裂作用下预埋三维单裂隙试件的破裂试验68-80
• 4.1 水对岩体的作用68-69
• 4.2 裂隙水对岩体损伤断裂和强度的影响69-70
• 4.3 水压作用下单裂隙类岩石试件的单、双轴压缩试验70-78
• 4.3.1 注水装置71-72
• 4.3.2 注水试件的制备72-73
• 4.3.3 试验的准备工作和加载步骤73-74
• 4.3.4 单轴试验的结果74-77
• 4.3.5 双轴试验的结果77-78
• 4.3.6 有水和无水试验的结果对比78
• 4.4 小结78-80
• 第五章 节理岩体破裂过程的数值模拟80-114
• 5.1 引言80-82
• 5.1.1 非连续性方法80-81
• 5.1.2 连续性方法81-82
• 5.2 岩石的损伤模型82-83
• 5.3 本文弹脆性模型的数值计算实现方法83-84
• 5.4 弹脆性损伤模型的二维工况验证84-91
• 5.4.1 工况A85-86
• 5.4.2 工况B86-87
• 5.4.3 双轴加载的裂隙扩展87
• 5.4.4 峰值强度与裂隙组错距的关系87-88
• 5.4.5 应力-应变关系88
• 5.4.6 两组倾向不同共四条裂隙的模拟88-91
• 5.5 三维内置单裂隙裂隙扩展的数值模拟91-98
• 5.5.1 单轴情况的数值模拟92-93
• 5.5.2 计算结果分析93-96
• 5.5.3 侧压为10%单轴抗压强度的情况96-97
• 5.5.4 侧压为30%单轴抗压强度的情况97
• 5.5.5 强度包络线97-98
• 5.6 三维内置双裂隙裂隙扩展的数值模拟98-109
• 5.6.1 单轴压缩试验情况的数值模拟98-102
• 5.6.2 侧压为10%单轴抗压强度的情况102-105
• 5.6.3 侧压为30%单轴抗压强度的情况105-107
• 5.6.4 含双裂隙试件的强度包络线107-109
• 5.7 非均质试件数值模拟109-111
• 5.7.1 岩石材料非均质性的表达方法和参数取值109-110
• 5.7.2 非均质单裂隙试件的破裂过程110-111
• 5.8 小结111-114
• 第六章 水压作用下内置单裂隙试件的数值模拟114-132
• 6.1 引言114
• 6.2 岩体的渗流特性114-119
• 6.2.1 岩石的渗透性114-117
• 6.2.2 裂隙岩体的渗透特征117-118
• 6.2.3 岩体渗透性的尺寸效应118-119
• 6.2.4 单裂隙岩体渗流规律119
• 6.3 裂隙岩体渗透系数的变化规律119-121
• 6.4 FLAC~(3D)流固耦合基本原理121-122
• 6.5 不同水压下裂隙试件的破裂试验模拟122-126
• 6.5.1 计算过程说明123
• 6.5.2 模型和力学参数123-124
• 6.5.3 不同水压下的试件破裂过程124-126
• 6.6 不同应力下试件的水压致裂试验模拟126-130
• 6.6.1 四种工况的计算结果126-129
• 6.6.2 计算结果分析和总结129-130
• 6.7 小结130-132
• 第七章 边坡工程数值模拟132-138
• 7.1 计算模型与参数132-133
• 7.2 无水条件下边坡开挖数值模拟133-135
• 7.3 水压作用下边坡开挖数值模拟135-137
• 7.4 小结137-138
• 第八章 结论与展望138-140
• 8.1 结论138
• 8.2 展望138-140
• 参考文献140-150
• 致谢150-152
• 在读期间参与的科研项目152-154
• 攻读学位期间发表的学术论文和专利目录154-156
• 附件156

【参考文献】

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  本文关键词：含三维裂隙试件在双轴压力和水压作用下压裂试验与数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：305789