岩体三维裂隙拉伸断裂机理的试验与数值模拟研究

论文摘要

裂隙岩体是各种岩体工程和环境工程中经常遇到的一种复杂工程介质。在承受工程荷载时,岩体中大量的裂隙开始萌生、扩展和贯通,导致岩体介质力学性能的劣化以致最终破坏。因此,岩体中原生裂隙的扩展演化特征、破裂模式以及对岩体力学特性的影响一直为学术界和工程界所重视。鉴于三维问题在数学处理和现象观测上的复杂性,人们对裂隙问题的研究往往简化为二维情况来处理,但裂隙大都处于三维应力状态(表面裂隙或深埋裂隙),把三维裂隙简化为二维裂隙会引起较大差距。因此,近年来有关三维裂隙扩展演化机制及其对岩体材料力学特性影响的研究成为岩土工程重要研究课题。目前压缩条件下岩体中三维裂隙扩展演化机制的试验研究已有一些,但由于试验设备和技术方面的制约,拉伸条件下相应的成果很少。岩石材料具有低抗拉性,在较低拉伸应力作用下内部裂隙就开始扩展、贯通导致材料破坏。岩体工程中不可避免的要遇到拉应力区,因此开展拉伸条件下三维裂隙扩展演化机制以及对岩体力学特性影响的研究具有重要的理论意义和工程价值。物理试验方法和数值模拟方法是研究裂隙扩展问题的有效手段。本文结合这两种方法开展了以下研究工作:1、通过阅读大量文献,分析比较了以往三维裂隙岩体断裂机理试验中所用各种材料的优缺点。结合本试验情况,研制了脆性砂浆材料,其物理力学参数与砂岩接近,代替真实岩石进行试验可表现出类似的受力变形特征,并且该材料方便埋设三维裂隙。2、由于岩石材料直接拉伸试验技术不成熟,故改进了目前采用较多的夹具法和黏结法,设计加工了适用于脆性材料单轴拉伸试验的端部扩大型试件模具、与试件形状配套的夹具以及黏结拉伸轴向定位装置。3、制作了含不同形式(不同角度、不同间距和不同数量)内置裂隙的试件,并对其进行了单轴拉伸试验,得到了各试件的应力应变曲线,观察分析了试件的受力变形过程,总结了内置裂隙角度、间距及数量对材料力学特性以及裂隙扩展演化过程的影响。4、制作了含不同倾角表面裂隙的试件,并对其进行了单轴拉伸试验,得到相应的应力应变曲线,观察分析了试件的受力变形过程,总结了表面裂隙倾角对材料力学特性以及裂隙扩展演化过程的影响。5、用FRANC3D软件计算了含不同形式(不同角度、不同间距和不同数量)内置裂隙和不同倾角表面裂隙的试件在单轴拉伸条件下,裂隙前缘应力应力强度因子分布,裂隙前缘应变能释放率分布,模拟了所含三维裂隙的扩展演化过程。6、结合物理试验和数值模拟的结果,得出若干有价值的结论,并对实际工程提出一些建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 裂隙扩展的国内外研究现状与发展
• 1.2.1 二维裂隙研究进展
• 1.2.2 三维裂隙研究进展
• 1.2.3 岩石直接拉伸试验研究进展
• 1.2.4 数值模拟研究现状
• 1.3 研究思路、主要研究内容和创新点
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 研究创新点
• 第二章 裂隙扩展基本理论
• 2.1 岩体断裂的裂隙效应
• 2.2 岩体中裂隙分类
• 2.3 断裂力学基本理论
• 2.3.1 Griffith的断裂强度理论
• 2.3.2 Orowan理论
• 2.3.3 能量释放率及其判据
• 2.3.4 Irwin理论
• 2.3.5 应力强度因子断裂判据
• 2.3.6 复合型裂隙脆性断裂准则
• 第三章 三维裂隙拉伸扩展试验技术和准备
• 3.1 试验材料选择
• 3.1.1 试验材料选取原则
• 3.1.2 岩石力学试验材料的发展与现状
• 3.1.3 新型试验材料的研制
• 3.1.4 特制砂浆材料物理力学性能测试
• 3.2 岩石材料直接拉伸试验技术
• 3.2.1 目前主要的岩石直接拉伸试验方法
• 3.2.2 改进的直接拉伸试验方法和技术
• 3.2.3 主要试验装置和测试系统
• 3.3 试件制备
• 3.3.1 试件和裂隙的形状与尺寸
• 3.3.2 试件模具和裂隙定位工具
• 3.3.3 试件的制备过程
• 3.4 本章小结
• 第四章 三维裂隙拉伸扩展试验结果与分析
• 4.1 砂浆材料单轴拉伸力学特性
• 4.1.1 砂浆材料单轴拉伸应力应变曲线分析
• 4.1.2 砂浆材料单轴拉伸破坏过程
• 4.2 内置裂隙拉伸扩展的试验研究
• 4.2.1 裂隙倾角对拉伸断裂的影响
• 4.2.2 裂隙间距对拉伸断裂的影响
• 4.2.3 裂隙数量对拉伸断裂的影响
• 4.3 表面裂隙拉伸扩展的试验研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维裂隙拉伸扩展的数值模拟研究
• 5.1 FRANC3D软件介绍与结果验证
• 5.1.1 FRANC3D软件介绍
• 5.1.2 FRANC3D计算结果验证
• 5.2 内置裂隙拉伸扩展的数值模拟研究
• 5.2.1 裂隙倾角对内置裂隙扩展的影响
• 5.2.2 裂隙间距对内置裂隙扩展的影响
• 5.2.3 裂隙数量对内置裂隙扩展的影响
• 5.3 表面裂隙拉伸扩展的数值模拟研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目和主要科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表