单轴压缩条件下非贯通裂隙岩体变形研究

借助CCD相机观察含不同种类、不同倾角的非贯通裂隙试件单轴压缩试验的破坏过程,并通过扫描电镜试验对裂纹扩展的内在机理进行揭示。结果表明:裂隙岩体试件的破坏主要是由翼裂纹产生,并与预制裂隙一起形成贯通的剪切面而引起的压剪破坏;岩体的起裂及破坏并非完全按照主裂隙方向,次裂隙的存在极大的影响了岩体的破坏过程;裂隙越发育、裂隙倾角越小,试件越容易发生破坏、破坏时长越长;试样破坏过程主要是由于大颗粒及其团粒发生破碎,进而颗粒发生绕长轴方向的移动;颗粒相对位置的变化导致试样内部生成大量微孔隙与微裂纹,微裂纹逐渐融合并联通生成宏观翼裂纹,最终导致试件的破坏。研究结果为地下洞室围岩破坏预测及内在机理揭示提供了相应的理论基础。

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在、微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明:(1)完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;(2)裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;(3)裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;(4)非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。

非贯通裂隙岩体破坏细观特征及其宏观力学参数确定方法

针对岩体工程中最常见、最重要的非贯通裂隙岩体,以典型物理模型试验为基础,通过建立能反映不连续性、非均匀性、各向异性、非弹性等裂隙岩体基本特性的细观数值分析模型,开展系统的非贯通裂隙岩样破坏模态与细观破坏机制的数值试验研究;根据经物理模型试验标定的细观数值试验分析成果,总结裂隙几何分布特征、裂隙面摩擦特性以及应力条件对非贯通裂隙岩体破坏模式与强度的影响规律,建立能反映裂隙几何分布特征、裂隙力学性质、岩块力学性质以及侧压等因素的非贯通裂隙岩体宏观变形参数、强度参数计算公式,并对所建立的宏观力学参数计算公式进行讨论与验证。主要创新成果如下:(1)建立了非均匀损伤破坏模型,通过典型的室内物理模型试验,验证了该模型的合理性与正确性;利用分析系统中特有的解析刚体模型,改进了裂隙岩体细观破坏数值试验边界条件与加载板的模拟方法。(2)利用所建的非均匀损伤破坏数值模型,对含一条、两条及多条裂隙的非贯通裂隙岩样,分别进行了系统的破坏模式与细观机制数值试验,着重分析了试样的第一主应力场、剪应力场、次生裂纹起裂与发展路径以及峰值强度等,总结了裂隙几何分布特征、裂隙面摩擦性质及侧压对试样应力场、次生裂纹起裂与发展路径及试样峰值强度的影响规律,提炼了非贯通裂隙岩体典型的破坏模式——单平面模式和台阶模式。(3)基于变形等效原理和裂隙岩体细观变形特征,推导了含单组非贯通裂隙岩体变形参数(变形模量、泊松比、剪切模量)公式,研究了岩体变形模量、泊松比、剪切模量等变形参数随岩体裂隙连通率、裂隙倾角、裂隙厚度率的变化规律;进一步推导了含多组非贯通裂隙岩体变形模量、泊松比计算公式,研究了含多组裂隙岩体的变形模量、泊松比随裂隙几何分布特性、裂隙变形参数、岩块变形参数的变化规律;利用物理模型试验结果对计算公式进行了验证。(4)基于单平面破坏和台阶破坏2种模式假定,分别推导了发生单平面破坏、台阶破坏条件下非贯通裂隙岩体宏观剪切强度参数(黏聚力、内摩擦角)、抗压强度计算公式,并提出了相应的强度准则;进一步讨论了非贯通裂隙岩体剪切强度以及其参数、抗压强度受裂隙黏聚力、裂隙摩擦角、裂隙连通率、裂隙间距、裂隙排距、裂隙倾角、岩桥黏聚力、岩桥摩擦角、岩桥倾角的影响关系;对建立的分析计算公式进行了验证与讨论。