發(fā)布時間：2017-04-14 10:17

  本文關(guān)鍵詞：含三維裂隙試件在雙軸壓力和水壓作用下壓裂試驗與數(shù)值模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：工程巖體的失穩(wěn)和破壞,很大程度上是由其內(nèi)部原生裂隙的擴展和相互貫通導(dǎo)致的,裂隙水的流固耦合作用對巖體強度和力學(xué)特性的影響也非常顯著。由于開展三維試驗的復(fù)雜性和不透明度的巖石類材料難以直接觀測等原因,三維裂隙組擴展與貫通過程的試驗結(jié)果發(fā)表的還很少。前人的研究一般是在平板巖石樣品上預(yù)制穿透切縫,研究在單軸或雙軸加載條件下單裂隙或多裂隙的擴展過程及伴隨的物理現(xiàn)象。近年來,三維裂隙的擴展機制和破壞規(guī)律研究,已成為巖石力學(xué)領(lǐng)域的重要課題,對復(fù)雜應(yīng)力下三維裂隙巖體的破裂機理仍需要更深入的研究。此外,地下水的作用也和許多工程巖體的失穩(wěn)密切關(guān)聯(lián),因此開展在含有內(nèi)水壓力條件下裂隙巖體的破裂規(guī)律和特性研究,也有很高的重要性。本文采用理論分析、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等方法,研究了在單、雙軸壓力和水壓作用下,含內(nèi)置三維裂隙的類巖石樹脂試件的裂紋萌生、擴展規(guī)律和破壞機制,借助細(xì)觀理論方法,揭示了次生裂紋的擴展形態(tài)和試件破壞規(guī)律。最后,將本文的裂隙巖體損傷模型引入到某邊坡開挖工程的裂隙擴展過程研究和穩(wěn)定性分析中。本文主要開展和完成的工作如下：(1)最新研制了一種類巖石透明樹脂材料,其脆性度(抗拉和抗壓強度比)在-10～-15℃溫度下可達到1/6.6,相比前人達到的1/3,其脆性特性有了大幅提高。該材料與巖石的基本特征相符,其力學(xué)參數(shù)接近大理巖等巖石,因此很大程度上可以在試驗研究中模擬這些巖石；而且其透明性也大幅提高、照片清晰度比前人明顯改善,肉眼能清晰地觀測到其內(nèi)部裂紋的擴展過程,使人們從直觀上就可以理解裂紋的演化規(guī)律。基于該新型材料,又研制了含內(nèi)置中空裂隙的試件,采用該試件及作者設(shè)計的試驗設(shè)備和方法,開展了在水壓作用下內(nèi)置裂隙試件的單、雙軸壓縮試驗,研究了不同水壓和側(cè)壓情況下含內(nèi)置單裂隙試件的裂紋擴展規(guī)律和破裂過程。(2)通過開展單、雙軸(不同側(cè)壓)下預(yù)埋三維裂隙試件的壓縮試驗,研究了不同數(shù)目內(nèi)置三維裂隙試件的次生裂紋萌生、擴展和貫通破裂規(guī)律。試驗結(jié)果表明,試件的破壞大致經(jīng)歷四個階段,并有明顯的擴容特性,與巖石試驗結(jié)果相當(dāng)一致。試驗中除了觀察到常見的包裹狀翼裂紋、花斑形裂紋和花瓣形裂紋,還發(fā)現(xiàn)到了前人未曾發(fā)現(xiàn)但與理論推測一致的包裹狀反翼型裂紋、似包裹狀和巨形似包裹狀破裂以及花瓣形裂紋的不同形成機制。使用該材料制作的樹脂試件是均質(zhì)和各向同性的,除預(yù)埋裂隙外,沒有其它任何缺陷,所以其壓縮試驗可認(rèn)為是無其它干擾的情況下,僅因內(nèi)置裂隙而引起的破壞過程。均質(zhì)材料試驗與非均質(zhì)相比,兩者在裂紋萌生和擴展初期規(guī)律大體相同,但最終破壞形式上有所不同,非均質(zhì)材料所含的不均質(zhì)缺陷會在中后期產(chǎn)生較大影響。(3)進行了水壓作用下,不同內(nèi)水壓力和側(cè)壓時內(nèi)置單裂隙試件的單、雙軸壓縮試驗。試驗結(jié)果表明,有水壓與無水壓條件下,裂隙試件的破裂現(xiàn)象和過程有相同和不同之處：試驗中在橢圓形預(yù)埋裂隙的長軸端部均產(chǎn)生了包裹狀翼裂紋；有水壓條件下,沒有出現(xiàn)花瓣狀裂紋,同時次生裂紋的萌生應(yīng)力和試件劈裂破壞時的應(yīng)力更小,即水壓作用會降低試件的承載能力,且水壓越大,次生裂紋萌生應(yīng)力和試件破壞時的應(yīng)力越小。(4)在FLAC3D軟件框架內(nèi)建立了一種新的彈脆性本構(gòu)關(guān)系,并采用超細(xì)單元和合理形態(tài)的網(wǎng)格建模,先以二維工況驗證該彈脆性模型的適用性,然后模擬了內(nèi)置單裂隙和雙裂隙試塊在單、雙軸加載條件下的破裂過程,數(shù)值模擬結(jié)果與本文相應(yīng)試驗相符良好。通過計算裂隙試件在不同側(cè)壓條件下的破壞過程,可以發(fā)現(xiàn)：側(cè)壓上升后,試件的擴容點、峰值強度和次生裂紋萌生應(yīng)力都隨之上升,且次生裂紋的擴展形態(tài)有較大不同。注：關(guān)于該計算方法,也可參照作者已發(fā)表論文“節(jié)理巖體裂隙擴展過程一種新改進的彈脆性模擬方法及應(yīng)用”。(5)在無水工況數(shù)值模擬模型的基礎(chǔ)上,加入FLAC3D軟件的裂隙巖體滲流模型,進行有內(nèi)水壓力條件下裂隙巖體的滲流特性研究,模擬了不同水壓力和不同初始應(yīng)力條件,兩種情形下內(nèi)置單裂隙試件的破壞規(guī)律。水壓越大,次生裂紋萌生應(yīng)力和試件峰值強度均越小。水壓致裂試驗的數(shù)值計算結(jié)果表明：試件最終破壞時,貫通破裂面均和最小主應(yīng)力垂直；當(dāng)垂直主應(yīng)力比水平主應(yīng)力小時,會沿著水平方向破壞,如果垂直主應(yīng)力比水平主應(yīng)力大,則沿垂直方向破壞。(6)將改進的FLAC3D彈脆性本構(gòu)模型和裂隙巖體流固耦合模型,引入到某虛擬邊坡開挖工程的裂隙擴展過程研究和穩(wěn)定性分析中,對比分析了無水和有水作用下邊坡開挖的過程,其結(jié)果能基本上反應(yīng)出邊坡開挖時巖體的破壞過程和規(guī)律,特別是由于模型采用了細(xì)觀計算法,計算結(jié)果能很好反應(yīng)邊坡巖體中原生裂隙的演化規(guī)律和滲流對邊坡開挖的影響。
【關(guān)鍵詞】：三維裂隙 透明類巖石試件 雙軸壓力 水壓致裂 滲流 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU45
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 緒論16-28
• 1.1 研究目的和意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-25
• 1.2.1 節(jié)理巖體裂隙擴展和破裂規(guī)律的塊體模型試驗17-21
• 1.2.2 節(jié)理巖體裂隙擴展和破裂規(guī)律的數(shù)值模擬研究21-22
• 1.2.3 節(jié)理巖體流固耦合和水壓致裂研究22-25
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容和方法25-28
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容26
• 1.3.2 研究方法26-28
• 第二章 節(jié)理巖體理論、水壓致裂應(yīng)用和試驗設(shè)計28-42
• 2.1 脆性巖石的裂隙擴展和破壞規(guī)律28-30
• 2.1.1 脆性巖塊在單軸壓縮條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線28-29
• 2.1.2 脆性巖石的一般破壞形式29-30
• 2.1.3 脆性巖石的基本特征30
• 2.2 水壓致裂法的工程應(yīng)用30-35
• 2.2.2 水壓致裂法測量地應(yīng)力過程30-32
• 2.2.3 地應(yīng)力反演原理和計算32-35
• 2.2.4 測量方法分析35
• 2.3 透明脆性類巖石材料含裂隙試件制備35-40
• 2.3.1 試驗材料的選擇35-36
• 2.3.2 新型樹脂材料及其調(diào)配36-38
• 2.3.3 內(nèi)置三維裂隙的制作及選材38
• 2.3.4 模具和裂隙的預(yù)置方案38-39
• 2.3.5 配制和澆注樹脂材料39
• 2.3.6 模型試件的養(yǎng)護與磨光成型39
• 2.3.7 加載設(shè)備39-40
• 2.4 小結(jié)40-42
• 第三章 含預(yù)埋三維裂隙試件在多軸壓力下的破裂過程42-68
• 3.1 單裂隙試件的試驗結(jié)果42-52
• 3.1.1 單軸加載下內(nèi)置單裂隙試件的破裂過程42-47
• 3.1.2 不同傾角單裂隙試件單軸下破裂過程分析47-49
• 3.1.3 雙軸加載下不同側(cè)壓時單裂隙試件的破裂過程49-50
• 3.1.4 二維和三維裂隙擴展的對比50-52
• 3.2 雙裂隙試件的試驗結(jié)果52-64
• 3.2.1 單軸下四種不同錯距內(nèi)置雙裂隙試件的破裂過程52-60
• 3.2.2 不同錯距雙裂隙試件擴展過程分析60-62
• 3.2.3 雙軸加載下不同側(cè)壓時雙裂隙試件的破裂過程62-64
• 3.3 三裂隙試件的試驗結(jié)果64-65
• 3.4 均質(zhì)類巖石材料與非均質(zhì)類巖石材料試驗結(jié)果對比65-66
• 3.5 小結(jié)66-68
• 第四章 水壓致裂作用下預(yù)埋三維單裂隙試件的破裂試驗68-80
• 4.1 水對巖體的作用68-69
• 4.2 裂隙水對巖體損傷斷裂和強度的影響69-70
• 4.3 水壓作用下單裂隙類巖石試件的單、雙軸壓縮試驗70-78
• 4.3.1 注水裝置71-72
• 4.3.2 注水試件的制備72-73
• 4.3.3 試驗的準(zhǔn)備工作和加載步驟73-74
• 4.3.4 單軸試驗的結(jié)果74-77
• 4.3.5 雙軸試驗的結(jié)果77-78
• 4.3.6 有水和無水試驗的結(jié)果對比78
• 4.4 小結(jié)78-80
• 第五章 節(jié)理巖體破裂過程的數(shù)值模擬80-114
• 5.1 引言80-82
• 5.1.1 非連續(xù)性方法80-81
• 5.1.2 連續(xù)性方法81-82
• 5.2 巖石的損傷模型82-83
• 5.3 本文彈脆性模型的數(shù)值計算實現(xiàn)方法83-84
• 5.4 彈脆性損傷模型的二維工況驗證84-91
• 5.4.1 工況A85-86
• 5.4.2 工況B86-87
• 5.4.3 雙軸加載的裂隙擴展87
• 5.4.4 峰值強度與裂隙組錯距的關(guān)系87-88
• 5.4.5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系88
• 5.4.6 兩組傾向不同共四條裂隙的模擬88-91
• 5.5 三維內(nèi)置單裂隙裂隙擴展的數(shù)值模擬91-98
• 5.5.1 單軸情況的數(shù)值模擬92-93
• 5.5.2 計算結(jié)果分析93-96
• 5.5.3 側(cè)壓為10%單軸抗壓強度的情況96-97
• 5.5.4 側(cè)壓為30%單軸抗壓強度的情況97
• 5.5.5 強度包絡(luò)線97-98
• 5.6 三維內(nèi)置雙裂隙裂隙擴展的數(shù)值模擬98-109
• 5.6.1 單軸壓縮試驗情況的數(shù)值模擬98-102
• 5.6.2 側(cè)壓為10%單軸抗壓強度的情況102-105
• 5.6.3 側(cè)壓為30%單軸抗壓強度的情況105-107
• 5.6.4 含雙裂隙試件的強度包絡(luò)線107-109
• 5.7 非均質(zhì)試件數(shù)值模擬109-111
• 5.7.1 巖石材料非均質(zhì)性的表達方法和參數(shù)取值109-110
• 5.7.2 非均質(zhì)單裂隙試件的破裂過程110-111
• 5.8 小結(jié)111-114
• 第六章 水壓作用下內(nèi)置單裂隙試件的數(shù)值模擬114-132
• 6.1 引言114
• 6.2 巖體的滲流特性114-119
• 6.2.1 巖石的滲透性114-117
• 6.2.2 裂隙巖體的滲透特征117-118
• 6.2.3 巖體滲透性的尺寸效應(yīng)118-119
• 6.2.4 單裂隙巖體滲流規(guī)律119
• 6.3 裂隙巖體滲透系數(shù)的變化規(guī)律119-121
• 6.4 FLAC~(3D)流固耦合基本原理121-122
• 6.5 不同水壓下裂隙試件的破裂試驗?zāi)M122-126
• 6.5.1 計算過程說明123
• 6.5.2 模型和力學(xué)參數(shù)123-124
• 6.5.3 不同水壓下的試件破裂過程124-126
• 6.6 不同應(yīng)力下試件的水壓致裂試驗?zāi)M126-130
• 6.6.1 四種工況的計算結(jié)果126-129
• 6.6.2 計算結(jié)果分析和總結(jié)129-130
• 6.7 小結(jié)130-132
• 第七章 邊坡工程數(shù)值模擬132-138
• 7.1 計算模型與參數(shù)132-133
• 7.2 無水條件下邊坡開挖數(shù)值模擬133-135
• 7.3 水壓作用下邊坡開挖數(shù)值模擬135-137
• 7.4 小結(jié)137-138
• 第八章 結(jié)論與展望138-140
• 8.1 結(jié)論138
• 8.2 展望138-140
• 參考文獻140-150
• 致謝150-152
• 在讀期間參與的科研項目152-154
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和專利目錄154-156
• 附件156

【參考文獻】

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本文編號：305789