本文關鍵詞：含三維裂隙試件在雙軸壓力和水壓作用下壓裂試驗與數值模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：工程巖體的失穩(wěn)和破壞,很大程度上是由其內部原生裂隙的擴展和相互貫通導致的,裂隙水的流固耦合作用對巖體強度和力學特性的影響也非常顯著。由于開展三維試驗的復雜性和不透明度的巖石類材料難以直接觀測等原因,三維裂隙組擴展與貫通過程的試驗結果發(fā)表的還很少。前人的研究一般是在平板巖石樣品上預制穿透切縫,研究在單軸或雙軸加載條件下單裂隙或多裂隙的擴展過程及伴隨的物理現(xiàn)象。近年來,三維裂隙的擴展機制和破壞規(guī)律研究,已成為巖石力學領域的重要課題,對復雜應力下三維裂隙巖體的破裂機理仍需要更深入的研究。此外,地下水的作用也和許多工程巖體的失穩(wěn)密切關聯(lián),因此開展在含有內水壓力條件下裂隙巖體的破裂規(guī)律和特性研究,也有很高的重要性。本文采用理論分析、室內試驗和數值模擬等方法,研究了在單、雙軸壓力和水壓作用下,含內置三維裂隙的類巖石樹脂試件的裂紋萌生、擴展規(guī)律和破壞機制,借助細觀理論方法,揭示了次生裂紋的擴展形態(tài)和試件破壞規(guī)律。最后,將本文的裂隙巖體損傷模型引入到某邊坡開挖工程的裂隙擴展過程研究和穩(wěn)定性分析中。本文主要開展和完成的工作如下：(1)最新研制了一種類巖石透明樹脂材料,其脆性度(抗拉和抗壓強度比)在-10～-15℃溫度下可達到1/6.6,相比前人達到的1/3,其脆性特性有了大幅提高。該材料與巖石的基本特征相符,其力學參數接近大理巖等巖石,因此很大程度上可以在試驗研究中模擬這些巖石；而且其透明性也大幅提高、照片清晰度比前人明顯改善,肉眼能清晰地觀測到其內部裂紋的擴展過程,使人們從直觀上就可以理解裂紋的演化規(guī)律�；谠撔滦筒牧�,又研制了含內置中空裂隙的試件,采用該試件及作者設計的試驗設備和方法,開展了在水壓作用下內置裂隙試件的單、雙軸壓縮試驗,研究了不同水壓和側壓情況下含內置單裂隙試件的裂紋擴展規(guī)律和破裂過程。(2)通過開展單、雙軸(不同側壓)下預埋三維裂隙試件的壓縮試驗,研究了不同數目內置三維裂隙試件的次生裂紋萌生、擴展和貫通破裂規(guī)律。試驗結果表明,試件的破壞大致經歷四個階段,并有明顯的擴容特性,與巖石試驗結果相當一致。試驗中除了觀察到常見的包裹狀翼裂紋、花斑形裂紋和花瓣形裂紋,還發(fā)現(xiàn)到了前人未曾發(fā)現(xiàn)但與理論推測一致的包裹狀反翼型裂紋、似包裹狀和巨形似包裹狀破裂以及花瓣形裂紋的不同形成機制。使用該材料制作的樹脂試件是均質和各向同性的,除預埋裂隙外,沒有其它任何缺陷,所以其壓縮試驗可認為是無其它干擾的情況下,僅因內置裂隙而引起的破壞過程。均質材料試驗與非均質相比,兩者在裂紋萌生和擴展初期規(guī)律大體相同,但最終破壞形式上有所不同,非均質材料所含的不均質缺陷會在中后期產生較大影響。(3)進行了水壓作用下,不同內水壓力和側壓時內置單裂隙試件的單、雙軸壓縮試驗。試驗結果表明,有水壓與無水壓條件下,裂隙試件的破裂現(xiàn)象和過程有相同和不同之處：試驗中在橢圓形預埋裂隙的長軸端部均產生了包裹狀翼裂紋；有水壓條件下,沒有出現(xiàn)花瓣狀裂紋,同時次生裂紋的萌生應力和試件劈裂破壞時的應力更小,即水壓作用會降低試件的承載能力,且水壓越大,次生裂紋萌生應力和試件破壞時的應力越小。(4)在FLAC3D軟件框架內建立了一種新的彈脆性本構關系,并采用超細單元和合理形態(tài)的網格建模,先以二維工況驗證該彈脆性模型的適用性,然后模擬了內置單裂隙和雙裂隙試塊在單、雙軸加載條件下的破裂過程,數值模擬結果與本文相應試驗相符良好。通過計算裂隙試件在不同側壓條件下的破壞過程,可以發(fā)現(xiàn)：側壓上升后,試件的擴容點、峰值強度和次生裂紋萌生應力都隨之上升,且次生裂紋的擴展形態(tài)有較大不同。注：關于該計算方法,也可參照作者已發(fā)表論文“節(jié)理巖體裂隙擴展過程一種新改進的彈脆性模擬方法及應用”。(5)在無水工況數值模擬模型的基礎上,加入FLAC3D軟件的裂隙巖體滲流模型,進行有內水壓力條件下裂隙巖體的滲流特性研究,模擬了不同水壓力和不同初始應力條件,兩種情形下內置單裂隙試件的破壞規(guī)律。水壓越大,次生裂紋萌生應力和試件峰值強度均越小。水壓致裂試驗的數值計算結果表明：試件最終破壞時,貫通破裂面均和最小主應力垂直；當垂直主應力比水平主應力小時,會沿著水平方向破壞,如果垂直主應力比水平主應力大,則沿垂直方向破壞。(6)將改進的FLAC3D彈脆性本構模型和裂隙巖體流固耦合模型,引入到某虛擬邊坡開挖工程的裂隙擴展過程研究和穩(wěn)定性分析中,對比分析了無水和有水作用下邊坡開挖的過程,其結果能基本上反應出邊坡開挖時巖體的破壞過程和規(guī)律,特別是由于模型采用了細觀計算法,計算結果能很好反應邊坡巖體中原生裂隙的演化規(guī)律和滲流對邊坡開挖的影響。
【關鍵詞】：三維裂隙 透明類巖石試件 雙軸壓力 水壓致裂 滲流 數值模擬
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU45
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 緒論16-28
• 1.1 研究目的和意義16-17
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀17-25
• 1.2.1 節(jié)理巖體裂隙擴展和破裂規(guī)律的塊體模型試驗17-21
• 1.2.2 節(jié)理巖體裂隙擴展和破裂規(guī)律的數值模擬研究21-22
• 1.2.3 節(jié)理巖體流固耦合和水壓致裂研究22-25
• 1.3 本文的主要研究內容和方法25-28
• 1.3.1 主要研究內容26
• 1.3.2 研究方法26-28
• 第二章 節(jié)理巖體理論、水壓致裂應用和試驗設計28-42
• 2.1 脆性巖石的裂隙擴展和破壞規(guī)律28-30
• 2.1.1 脆性巖塊在單軸壓縮條件下的應力應變曲線28-29
• 2.1.2 脆性巖石的一般破壞形式29-30
• 2.1.3 脆性巖石的基本特征30
• 2.2 水壓致裂法的工程應用30-35
• 2.2.2 水壓致裂法測量地應力過程30-32
• 2.2.3 地應力反演原理和計算32-35
• 2.2.4 測量方法分析35
• 2.3 透明脆性類巖石材料含裂隙試件制備35-40
• 2.3.1 試驗材料的選擇35-36
• 2.3.2 新型樹脂材料及其調配36-38
• 2.3.3 內置三維裂隙的制作及選材38
• 2.3.4 模具和裂隙的預置方案38-39
• 2.3.5 配制和澆注樹脂材料39
• 2.3.6 模型試件的養(yǎng)護與磨光成型39
• 2.3.7 加載設備39-40
• 2.4 小結40-42
• 第三章 含預埋三維裂隙試件在多軸壓力下的破裂過程42-68
• 3.1 單裂隙試件的試驗結果42-52
• 3.1.1 單軸加載下內置單裂隙試件的破裂過程42-47
• 3.1.2 不同傾角單裂隙試件單軸下破裂過程分析47-49
• 3.1.3 雙軸加載下不同側壓時單裂隙試件的破裂過程49-50
• 3.1.4 二維和三維裂隙擴展的對比50-52
• 3.2 雙裂隙試件的試驗結果52-64
• 3.2.1 單軸下四種不同錯距內置雙裂隙試件的破裂過程52-60
• 3.2.2 不同錯距雙裂隙試件擴展過程分析60-62
• 3.2.3 雙軸加載下不同側壓時雙裂隙試件的破裂過程62-64
• 3.3 三裂隙試件的試驗結果64-65
• 3.4 均質類巖石材料與非均質類巖石材料試驗結果對比65-66
• 3.5 小結66-68
• 第四章 水壓致裂作用下預埋三維單裂隙試件的破裂試驗68-80
• 4.1 水對巖體的作用68-69
• 4.2 裂隙水對巖體損傷斷裂和強度的影響69-70
• 4.3 水壓作用下單裂隙類巖石試件的單、雙軸壓縮試驗70-78
• 4.3.1 注水裝置71-72
• 4.3.2 注水試件的制備72-73
• 4.3.3 試驗的準備工作和加載步驟73-74
• 4.3.4 單軸試驗的結果74-77
• 4.3.5 雙軸試驗的結果77-78
• 4.3.6 有水和無水試驗的結果對比78
• 4.4 小結78-80
• 第五章 節(jié)理巖體破裂過程的數值模擬80-114
• 5.1 引言80-82
• 5.1.1 非連續(xù)性方法80-81
• 5.1.2 連續(xù)性方法81-82
• 5.2 巖石的損傷模型82-83
• 5.3 本文彈脆性模型的數值計算實現(xiàn)方法83-84
• 5.4 彈脆性損傷模型的二維工況驗證84-91
• 5.4.1 工況A85-86
• 5.4.2 工況B86-87
• 5.4.3 雙軸加載的裂隙擴展87
• 5.4.4 峰值強度與裂隙組錯距的關系87-88
• 5.4.5 應力-應變關系88
• 5.4.6 兩組傾向不同共四條裂隙的模擬88-91
• 5.5 三維內置單裂隙裂隙擴展的數值模擬91-98
• 5.5.1 單軸情況的數值模擬92-93
• 5.5.2 計算結果分析93-96
• 5.5.3 側壓為10%單軸抗壓強度的情況96-97
• 5.5.4 側壓為30%單軸抗壓強度的情況97
• 5.5.5 強度包絡線97-98
• 5.6 三維內置雙裂隙裂隙擴展的數值模擬98-109
• 5.6.1 單軸壓縮試驗情況的數值模擬98-102
• 5.6.2 側壓為10%單軸抗壓強度的情況102-105
• 5.6.3 側壓為30%單軸抗壓強度的情況105-107
• 5.6.4 含雙裂隙試件的強度包絡線107-109
• 5.7 非均質試件數值模擬109-111
• 5.7.1 巖石材料非均質性的表達方法和參數取值109-110
• 5.7.2 非均質單裂隙試件的破裂過程110-111
• 5.8 小結111-114
• 第六章 水壓作用下內置單裂隙試件的數值模擬114-132
• 6.1 引言114
• 6.2 巖體的滲流特性114-119
• 6.2.1 巖石的滲透性114-117
• 6.2.2 裂隙巖體的滲透特征117-118
• 6.2.3 巖體滲透性的尺寸效應118-119
• 6.2.4 單裂隙巖體滲流規(guī)律119
• 6.3 裂隙巖體滲透系數的變化規(guī)律119-121
• 6.4 FLAC~(3D)流固耦合基本原理121-122
• 6.5 不同水壓下裂隙試件的破裂試驗模擬122-126
• 6.5.1 計算過程說明123
• 6.5.2 模型和力學參數123-124
• 6.5.3 不同水壓下的試件破裂過程124-126
• 6.6 不同應力下試件的水壓致裂試驗模擬126-130
• 6.6.1 四種工況的計算結果126-129
• 6.6.2 計算結果分析和總結129-130
• 6.7 小結130-132
• 第七章 邊坡工程數值模擬132-138
• 7.1 計算模型與參數132-133
• 7.2 無水條件下邊坡開挖數值模擬133-135
• 7.3 水壓作用下邊坡開挖數值模擬135-137
• 7.4 小結137-138
• 第八章 結論與展望138-140
• 8.1 結論138
• 8.2 展望138-140
• 參考文獻140-150
• 致謝150-152
• 在讀期間參與的科研項目152-154
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文和專利目錄154-156
• 附件156

【參考文獻】

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本文編號：305789