脆性材料中三維裂隙斷裂試驗、理論與數(shù)值模擬研究.pdf

1、巖體中原生裂隙的起裂、擴展和貫通演化特性、破裂模式及其對工程巖體強度及滲流特性的影響一直為工程地質界、巖石力學界和相關工程界所重視。由于三維裂隙巖體問題的復雜性，以往的研究大多將三維問題簡化為二維問題來研究，并取得了較為系統(tǒng)的研究成果。但是裂隙巖體的二維簡化模型往往會丟失許多裂紋擴展與貫通過程的三維信息。因此，近年來三維裂隙巖體的斷裂損傷機理及其力學特性的研究逐漸成為裂隙巖體工程領域的重要課題之一，對于裂隙巖體工程的設計、施工和長期穩(wěn)定

2、性的維護具有極其重要的指導作用，對于地震地質學科和地球物理研究領域也具有一定理論意義。 針對三維裂隙巖體試驗模型材料的選取問題，在總結以往試驗材料的基礎上，研制出兩種不同的脆性材料，一種是透明性良好的低溫脆性聚酯樹脂材料，其拉壓比可達1/5，優(yōu)于以往的其他模擬材料，該材料屬于均質材料，并可清晰地觀察到試樣內裂紋擴展的三維狀態(tài)；另一種是類巖石材料，其脆性程度非常好，拉壓比可達1/23。 分析了巖體在斷裂過程中的裂隙效應和裂

3、隙的維數(shù)效應及裂隙萌生的基本力學模式，給出了單軸壓縮條件下幾種新生裂紋的定義，如：翼裂紋、反翼裂紋、包裹式翼裂紋和貝殼狀裂紋等。采用室內宏、細觀力學試驗研究了不同脆性材料中三維裂紋萌生、擴展及其貫通的演化過程。采用透明樹脂材料的試驗結果表明：三維裂隙起裂、擴展是以包裹式翼裂紋為主要擴展模式的；并在實驗中獲得了一些以往研究中所未觀察到的裂紋擴展模式，如穿越裂紋、花瓣狀裂紋等。對于不透明的真實巖石及類巖石材料，在單軸壓縮狀態(tài)下，試樣破裂后可

4、以清楚地觀察到包裹式翼裂紋的擴展，但無法在這類材料中區(qū)分到其他形式的裂紋。此外，材料的均勻性將影響含三維裂隙的最終斷裂形態(tài)。含三維裂隙的均勻樹脂試樣最終是以劈裂破壞為主的，但在類巖石材料試樣卻是以剪切斷裂的。這樣，可根據(jù)巖體表面上的斷裂跡線與預制裂隙方位之間的關系推定巖體內三維裂隙的賦存狀態(tài)，為確定裂隙巖體的錨固方式提供參考。采用三維聲發(fā)射定位技術研究了類巖石材料中內置裂隙單軸壓縮條件下的斷裂模式及其聲發(fā)射特征，提出三維裂隙起裂強度的判

5、定方法，并可判定三維裂紋穩(wěn)定擴展與失穩(wěn)擴展狀態(tài)，為工程檢測巖體裂隙破裂的演化狀態(tài)提供一種新解決方案。此外，還討論了一定條件下三維裂隙間距和密度對巖體強度的影響。 在單軸壓縮荷載作用下，裂隙深度比d/t(d，為裂隙深度；f為試樣的厚度)直接影響三維裂紋的擴展過程和斷裂模式。實驗結果表明：在單軸壓縮荷載作用下，當裂隙深度比d/t<0.6時，巖石中表面裂隙(非穿透裂隙)的擴展模式與穿透裂隙擴展模式有著本質的不同，反翼裂紋模式成為試樣破

6、裂的主導方式，且反翼裂紋的起裂位置并不在預制裂隙尖端處，而是預制裂隙端部附近的某一區(qū)域；次生的翼裂紋只在試驗后期出現(xiàn)。當d/t>0.6時，表面裂隙以主要翼裂紋模式斷裂。在砂巖試樣亦觀察到相似的現(xiàn)象。聲發(fā)射定位結果亦支持了這一全新的試驗現(xiàn)象，并且表明裂紋的起裂是從試樣的內部開始的。此外，對于表面裂隙，表面裂隙傾角α對巖樣的起裂應力影響很顯著。 根據(jù)經典的脆性斷裂力學理論和彈性理論，研究了三維裂隙擴展的最大拉應力準則，推導出單軸壓縮

7、條件下考慮Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ完全復合型三維裂隙前緣逐點的應力狀態(tài)的計算公式，討論了裂隙邊界上各點的最大拉應力、破裂面彎角和扭角的變化情況，用數(shù)值方法確定了破裂面的起裂位置及起裂方向。理論分析結果與實驗結果取得了很好的一致性。 脆性材料的斷裂過程可看成是構成材料的表征體元RVE(representative volume element)損傷累積的過程。在數(shù)值計算中，基于快速拉格朗日方法，利用FLAC3D中的FISH語言編制了考慮材料體元