含貫穿裂隙試件在雙軸和水壓力作用下擴展試驗和數(shù)值模擬研究.pdf

1、自然界中廣泛存在的巖石所含有的裂隙、空隙等不僅是由在成巖過程中自身環(huán)境（物理、化學等）的影響而產生，而且還受到外部環(huán)境的影響（構造運動、地震、火山爆發(fā)等）。在外部荷載的作用下，巖石中隨機遍布的微小缺陷會相互的擴展、貫通，最終引起材料的損傷演化及破壞形態(tài)。而巖石作為構成地下鐵路、隧道、水利水電工程等與人類生活息息相關的大型工程的最為重要的材料，對巖石的變形及其破壞機制對于解決與地下工程相關的災害的研究具有十分重要的意義。前人的研究主要集中

2、在節(jié)理巖體的單軸及其常規(guī)三軸試驗方面，但對地下工程而言，其大多處于雙向受力狀態(tài)，因此有必要研究在雙向軸壓作用下含裂隙的巖石試件的擴展機制和破壞規(guī)律。此外，隨著工程規(guī)模的不斷變大，地下硐室不僅受到上部巖體的作用，而且地下水也在影響著地下硐室的穩(wěn)定性，因此開展水壓和軸壓作用下裂隙巖體破壞規(guī)律的研究，也同樣勢在必行。由于含三維內置裂隙的類巖石水泥砂漿試件在水壓和軸壓作用下的試驗現(xiàn)象不便于觀察，本文使用了含貫穿裂隙的類巖石試件作為研究對象，研究

3、了在軸壓和水壓作用下，含貫穿裂隙的類巖石試件的裂紋的始裂、擴展和破壞規(guī)律。本文主要開展和完成的工作如下:
　　1、實驗中發(fā)現(xiàn)原始試驗機的對中存在問題，即試件在壓縮過程中處于偏心受壓狀態(tài)，因此對試驗機的對中裝置進行了改進。具體改進措施是:將原來試驗機的加載端部由固定式換成了球形鉸，解決了巖石試件在受壓過程中的偏心問題，整套裝置操作便捷，精度高，可以滿足實驗要求的精度。
　　2、制作了由水泥砂漿構成的類巖石試件，并使用改進后的試

4、驗機開展了裂隙試件在不同側壓下的雙軸壓縮試驗。通過施加不同側壓，可以發(fā)現(xiàn):側壓力為0時，裂紋的擴展方向沿著最大壓應力的方向擴展;當預制裂紋傾角一定時，隨著裂紋數(shù)量的增加，試件的峰值強度呈遞減趨勢;當預制裂紋數(shù)量一定時，隨著預制裂紋傾角的增加，試件的峰值強度同樣呈遞減趨勢。而且隨著裂紋數(shù)量的增加，翼裂紋的擴展先后順序也發(fā)生了變化。側壓力為完整試件單軸抗壓強度的10％時，由于側向壓力的側向約束作用，裂紋的始裂應力相應提高，試件的破壞模式也發(fā)

5、生了變化，比側壓為0時的破壞模式更為復雜?？傮w來看，單軸受壓時裂紋的擴展規(guī)律與雙軸受壓時的擴展規(guī)律類似，裂紋的萌生和擴展主要是從原裂隙尖端產生的翼裂紋開始，而且雙軸壓縮作用下，試件尖端不僅會有翼裂紋產生，還會產生反翼裂紋，且這兩種裂紋的擴展速率明顯慢于單軸壓縮時的裂紋擴展速率。
　　3、開展了含裂隙的類巖石試件在水巖耦合作用下的破壞機理研究工作。首先對制作類巖石試件的水泥砂漿原料的配比進行了大膽的嘗試，經(jīng)過多次實驗，最終確定了在水

6、泥砂漿摻入硅烷基憎水劑的實驗方案，該配比可以保持注入到試件內部的內水壓力，其次針對含貫穿裂隙試件在加水壓時，水會從水泥砂漿預制裂隙中流走的問題，設計研發(fā)了一套研究水巖耦合作用的模具，該模具能夠將注入到試件內部的水流密封在試件內部不流失，從而保證實驗的順利進行。
　　4、開展了含貫穿裂隙試件在水巖耦合作用下的室內壓縮實驗。實驗結果表明，內水壓力的存在會加快巖石的破壞過程和降低試件的峰值強度，這是由于內水壓力的存在改變了預制裂紋范圍內

7、的應力場，從而使得巖石的始裂速率快于無水壓作用下巖石的始裂速率，并且在預制裂紋始裂以后，水在裂紋尖端處的頂托和楔入作用也加速了試件的破裂過程。
　　5、基于張拉破壞-剪切殘余準則改進的彈脆性本構模型，模擬了含裂隙試件在不同側壓情況下裂紋始裂和擴展過程。對比分析了三種不同側壓力下裂隙試件的裂紋始裂、擴展過程和峰值強度，結果表明:施加側向壓力后，試件的始裂和破壞過程會相對延緩，而且側向壓力越大，試件的破壞越緩慢，破壞時的峰值強度越大。