脆性裂隙巖體論文：脆性裂隙巖體三維裂隙擴(kuò)展脆性透明材料試驗(yàn)研究數(shù)值分析

1、料試驗(yàn)研究數(shù)值分析【中文摘要】巖體中含有豐富的節(jié)理裂隙，這些裂隙在工程開挖水流,風(fēng)的侵蝕等力的作用下起裂，擴(kuò)展,相互貫通,對巖體的力學(xué)特性和破壞模式產(chǎn)生重要影響，同時(shí)這些裂隙相互作用產(chǎn)生的通道成為地下水流的重要途徑，影響著巖體的滲流特性，可能腐蝕錨桿等工程材料,嚴(yán)重影響了巖體工程的穩(wěn)定性，因此,研究多裂隙巖體的破壞機(jī)制一直是工程地質(zhì)界關(guān)注的重要問題，以往的研究大多簡化為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問題，但是現(xiàn)實(shí)中的裂隙巖體都為三維的，簡化的研究方法將導(dǎo)致很多三維裂隙擴(kuò)展的重要信息丟失，研究三維裂隙巖體的斷裂機(jī)制和破壞機(jī)理將成為巖石工程界的重要方向，對巖體工程的設(shè)計(jì),施工和穩(wěn)定性具有重要作用。由于在真實(shí)巖

2、石試件的內(nèi)部很難預(yù)置有一定分布規(guī)律的多條三維裂隙。因此，研究含三維裂隙脆性巖體破壞機(jī)理的很多試驗(yàn)采用類巖石的相似材料來開展。因?yàn)橐鼓M含三維裂隙巖體的材料力學(xué)特性，其材料盡量符合脆性巖石的主要特性而且要在足夠大的試塊中要模擬有一定排列模式的多條斷續(xù)節(jié)理很困難,本文采用似巖石類脆性材料開展試驗(yàn)，研制出脆性很高的材料,其拉壓比常溫下就能達(dá)到1/5,在一定低溫條件下預(yù)計(jì)將可達(dá)到1/7至1/8左右。與以往的同類脆性材料相比，脆性提高了一倍。該材料透明性很好，可清晰地觀察到三維內(nèi)置裂隙試件的裂紋擴(kuò)展的過程；在性能上與脆性巖石有較好的相似性，可以模擬多類巖石的力學(xué)特性。同時(shí)研制了可預(yù)制任意角度，條數(shù),不

3、同間距的三維裂隙試件模具因此可方便制作出含二維或三維裂隙的塊體試件。通過單軸壓縮試驗(yàn)研究了該透明脆性材料的三維裂紋產(chǎn)生，擴(kuò)展與貫通的過程，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線，泊松比系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律和試驗(yàn)時(shí)觀察到的現(xiàn)象，可以將其過程分為初始壓密，彈性變形,次生裂紋萌生和匯合，裂紋加速擴(kuò)展,試件整體破壞四個階段，試驗(yàn)結(jié)果表明，與二維裂紋擴(kuò)展相比，三維裂紋擴(kuò)展形態(tài)更加復(fù)雜，有花瓣?duì)盍鸭y、包裹式翼裂紋和魚鰭狀裂紋等,完整試件抗壓強(qiáng)度明顯大于三維裂隙試件強(qiáng)度，變形量小于三維裂隙試件，試件破壞方式主要以劈裂破壞為主。把構(gòu)成三維裂隙試件材料的單元看成是表征體元REV(representativeelementvolume)

4、,試件破壞過程看成是表征體元的不斷損傷累積的過程，利用FLAC3沖的FISH語言編制了考慮材料體元參數(shù)軟化脆性破壞模型的數(shù)值計(jì)算程序，模擬了三維裂隙試件三維裂紋萌生，擴(kuò)展,貫通及破壞過程。分析了在單軸壓縮和雙軸壓縮模擬條件下不同傾角和間距試件的起裂和貫通時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力，時(shí)間及損傷區(qū)的規(guī)律以及各類試件強(qiáng)度比較,數(shù)值模擬結(jié)果表明，脆性材料三維裂隙擴(kuò)展與貫通過程比二維裂隙擴(kuò)展更加復(fù)雜，其中以包裹式裂紋，花瓣?duì)盍鸭y，豎直張拉裂紋擴(kuò)展為主,三維裂紋各部分?jǐn)U展速度不同，破壞模式為劈裂破壞。起裂應(yīng)力，時(shí)間，損傷單元體積和強(qiáng)度隨著角度和間距變化曲線呈非單調(diào)關(guān)系,貫通階段應(yīng)力，時(shí)間,損傷單元體積隨著角度和間距變化

5、曲線呈單調(diào)關(guān)系,雙軸加載模擬條件下也有類似規(guī)律，這為研究含三維裂隙的脆性巖體的破壞機(jī)理具有一定的研究價(jià)值?！居⑽恼縏hereareabundantprimaryandsecondaryflawsinrockmass.Theystarttheevolvementofinitiation,propagationandcoalesceneeundertheinflueneeofforces,suchasengineeringexcavation,waterflow,wind'scredibilityandsoon,whichtakesagreateffectonrockstrengtha

6、ndfracturepattern,meanwhile,thereciprocityofflawsproducesmanychannels,whichmakepathwayofundergroundwaterandaffectrock'sseepageproperty,engineeringmaterials,forexamplerockbolts,arelikelytobeeroded,allthesecausebadeffectonthestabilityofrockmass.Consequently,thefailuremechanismofmulti-fissuredrockm

7、assisalwaysfocusedbytheresearchersofgeologyfield.Theengineeringproblemsoftenaresimplifiedtotwo-dimensional(3D)modelsinmostofthepreviousstudies,butfracturesare3Dactually,asaresult,itleadsagreatlossofmuch3Dfractureinformationinthesimple2Dmodel.Researchersstarttofocusonthefracturemechanismandfailuremechanismof3Dfracturedrockmass,alsotheoreticallysignificanttorockmasssdesign,constructionandstability.Owingtothefactthatthereisseldomaflawabidedbysomedisciplineinrealrocktestc