巖石三維裂紋擴展機制的物理與數值試驗研究.pdf

1、巖體作為多裂隙體，它的變形和破壞與其中裂紋的萌生、擴展和貫通過程密切相關。為了避免三維裂紋研究中存在的數學和力學上的困難，研究者們多假設裂紋是二維的存在形式。但實際上無論是從幾何意義或力學特征上來看，巖體裂紋都是三維性質的，它的擴展演化機制遠比二維裂紋復雜得多，甚至是存在本質上的差別，不能簡單地簡化為二維問題。巖石三維裂紋的擴展是同時在表面和內部進行的，但內部的觀測往往比較困難。過去學者多采用有機玻璃等透明均勻材料進行試驗研究，這類材料

2、雖然方便觀察內部裂紋擴展情況，卻忽略了巖石的脆性、非均勻性等特性，得到的結果具有一定的局限性，只有考慮巖石的非均勻性才能真實地模擬巖石三維裂紋的擴展與貫通機制。
　　本文在認識和總結了前人有關巖石破壞機理及裂紋擴展規(guī)律方面研究成果的基礎上，從三維的角度出發(fā)，基于細觀統計損傷的有限元方法，考慮巖石的非線性、非均勻性，通過RFPA3D數值分析系統模擬壓縮荷載作用下巖石三維裂紋的擴展演化過程，并采用與巖石性質相近的水泥砂漿材料進行物理實

3、驗。通過三維數值模擬與物理實驗相結合的方法，主要對以下幾個問題進行了分析研究:
　　(1)從力學和幾何分布的角度對三維裂紋進行分類，對比研究了二維裂紋和三種基本三維裂紋的擴展演化機制。得到的結果顯示，受巖石內部結構的影響，三維裂紋的起裂位置和擴展形式均與二維裂紋有所區(qū)別，裂紋在不同厚度的切面上擴展形式有很大變化;穿透裂紋的擴展模式和二維裂紋較相似，均是以翼形拉伸裂紋的形式將試樣劈開，內置裂紋和表面裂紋由于缺少自由表面，強度要較穿透

4、裂紋更高，容易引起脆性破壞。
　　(2)著重研究了含單條預制表面裂紋的巖石試樣的單軸壓縮試驗，探究了裂紋擴展的影響因素，數值模擬與物理實驗結果取得了較好的一致性。試驗中預制裂紋的存在會使其附近出現應力集中，破壞單元聚集在裂紋的所有內邊緣，在內部形成殼體裂紋;在表面裂紋的擴展中，出現反翼形裂紋主導破壞的情況，這也是三維裂紋受厚度方向影響產生的特有現象;裂紋的傾斜角度、長度和相對厚度均會對其擴展機制和強度產生不同程度的影響。