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文檔簡介
1、裂隙巖體是巖土工程、水利水電工程和環(huán)境工程經(jīng)常遇到的一類復雜介質(zhì),在外荷載作用下,巖體中存在的大量裂隙開始萌生、擴展和貫通,最終導致巖石失去承載能力發(fā)生破壞。
目前在理論方面多數(shù)將三維裂隙簡化為二維進行研究,但自然界的裂隙大多數(shù)都是三維的,簡化為二維往往會丟失一部分三維數(shù)據(jù)。在試驗方面,由于真實巖石不均質(zhì)性、不透明性和裂隙制作等困難,許多學者采用類巖石材料來代替真實巖石研究裂隙擴展,上述研究雖然可以得到一部分裂隙擴展成果,但畢
2、竟不是真實的巖石,與真實巖石中裂隙的擴展具有一定的差距。本文在充分總結(jié)分析前人研究成果的基礎(chǔ)上,采用理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬的方法,對裂隙在單軸、三軸壓縮和滲流條件下裂隙擴展過程進行了細致的研究。
(1)總結(jié)了裂隙按裂隙賦存狀況、力學成因及考慮其它因素時的分類方法以及斷裂力學中Griffith的斷裂強度理論、Orowan理論等其它有關(guān)裂隙擴展的基本理論。
(2)通過對無裂隙的紅砂巖進行單軸和三軸壓縮試驗,在單軸荷
3、載作用下應力-應變曲線經(jīng)歷四個階段:裂隙壓密階段、彈性階段、非穩(wěn)定發(fā)展階段和應變軟化階段,試件破壞形式為柱狀劈裂破壞;在三軸荷載作用下,峰值強度及對應應變和殘余強度等隨著圍壓的增加而增加,試件的破壞形式為剪切破壞。
(3)采用紅砂巖制作含不同角度和張開度的三維表面單裂隙,進行了單軸壓縮試驗。試驗結(jié)果表明,單軸壓縮條件下,當裂隙傾角≤60°時,含裂隙試件的峰值強度及對應應變隨著傾角的增大而減小,當傾角為75°時,試件的峰值強度及
4、對應的應變略有增加;張開度為1.0、1.5和2.0的裂隙試件,隨著張開度的增加,試件的峰值強度減小,但相差不大;試件在單軸荷載作用下,含裂隙試件的破壞形式為由翼裂紋和反翼裂紋組成的“H”型破壞。
(4)采用高清攝像頭對裂隙試件單軸壓縮過試驗程進行錄像,通過對比分析錄像截圖研究裂隙擴展過程:不同傾角裂隙擴展過程是隨著試驗荷載增加,首先在裂尖處出現(xiàn)小范圍的壓碎區(qū),裂隙傾角<60°時是翼裂紋起裂,擴展一小段長度后就停止擴展,接著是反
5、翼裂紋起裂,試驗荷載繼續(xù)增加,反翼裂紋繼續(xù)擴展,最終導致試件發(fā)生失穩(wěn)破壞,傾角≥60°時,不易觀察到翼裂紋起裂;傾角45°時,裂紋最容易萌生、擴展比較均勻,而傾角75°時,裂紋不易萌生,擴展比較劇烈。
(5)通過含傾角45°裂隙試件進行三軸壓縮試驗,圍壓越大,含裂隙試件峰值強度及對應的應變與完整紅砂巖試件的差值就越小;試件的宏觀破壞模式是由翼裂紋和反翼裂紋組成的“H”型破壞,且圍壓越大,產(chǎn)生的Ⅰ型和Ⅲ型裂紋數(shù)目越多。
6、 (6)通過含傾角45°裂隙試件滲流試驗,相同圍壓下,水壓越大,裂隙對巖石強度削弱越大;相同水壓下,圍壓越大,裂隙對紅砂巖強度削弱程度越小;含裂隙試件宏觀破壞模式由翼裂紋和反翼裂紋組成的“H”型破壞,水壓越大,含裂隙試件破壞越劇烈。
(7)通過對在單軸荷載、三軸荷載和滲流試驗中的部分試件進行縱向CT掃描,得到了不同剖面裂隙擴展模式。各剖面圖的翼裂紋和反翼裂紋都是豎向裂紋,在擴展過程都發(fā)生了偏折;單軸荷載作用下,靠近試件中心位置
7、的剖面,裂紋包裹著裂隙發(fā)生擴展;三軸荷載作用下,翼裂紋和反翼裂紋擴展比較微弱,且出現(xiàn)了Ⅰ和Ⅲ型裂紋,圍壓越大,這種次生裂紋越明顯,數(shù)目越多;滲流試驗條件下,翼裂紋和反翼裂紋都能擴展到試件的端部。
(8)通過含傾角45°裂隙試件模型進行單軸荷載和三軸荷載作用下數(shù)值模擬計算,裂隙擴展過程與宏觀試驗結(jié)果基本一致,只是數(shù)值模擬時裂隙擴展過程沒有發(fā)生偏折,而宏觀試驗中裂隙擴展發(fā)生了偏折;翼裂紋是受拉應力和拉剪應力作用破壞的,反翼裂紋主要
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