丁字形裂隙岩体的强度与变形特性的试验探讨

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论文字数:38566 论文编号:sb2021092410223938324 日期:2021-10-13 来源:硕博论文网
本文所选的丁字形裂隙只是裂隙组合形式中的一种。本文只研究了丁字形裂隙岩体在单轴、三轴压缩条件下的力学特性,还应对丁字形裂隙试样在剪切、拉伸及动载等其他荷载条件下的力学特性进行研究;还可以从能量角度深入探讨丁字形裂隙岩体在工程荷载作用下的变形破坏机理,并建立相应的损伤本构关系。

1.绪论

1.1 研究的目的与意义
地壳的主要成分是岩体,但是由于地壳的运动,岩体会由于地质作用的影响而产生裂隙。裂隙是岩层没有发生显著位移的破裂。根据其形成的原因,分为原生、次生裂隙以及构造裂隙。它们常局限于地表,且分布不均匀。地下洞室、边坡工程在进行开挖、支护时,岩体是主要研究对象,节理裂隙在岩体中的扩展会使围岩的稳定性降低。一方面,岩体的变形破坏过程主要是在工程扰动条件下,裂隙的萌生、扩展、相互作用下引起的;另一方面,岩体中多样的裂隙组合形式,影响了岩体在施工过程中的破坏形式和失稳过程。在地下工程中,裂隙往往不是以单一裂隙的形态存在的,因此研究不同组合裂隙岩体的力学特性有着重要的意义。
图1-1  自然界中的裂隙
图1-1  自然界中的裂隙
考虑到现场测试的难度,测试仪器过于庞大难以搬运,且自然界中裂隙的分布复杂,导致试样难以直接从岩体试样中取得。因此,现有关于裂隙岩体破坏过程的研究,主要依靠室内模型测试实现[1]。关于室内试验的研究,国内外学者对裂隙岩体的研究分为两类,一类是有序裂隙岩体的压缩试验,通过单轴压缩试验,研究有序裂隙岩体的峰值强度、残余强度、弹性模量。其中具有代表性的是,杨圣奇[2]等研究了红砂岩裂隙试样在单轴压缩条件下的扩展过程,以及裂隙倾角对强度、变形参数的影响规律。另一类是交叉裂隙的压缩试验,其中具有代表性的是,冯鹏[3]等通过试验研究了静态和动态载荷下,对称和不对称交叉裂隙的岩体样品的能量耗散和碎片分布。由于交叉裂隙的试验较少,而且大部分都是在单轴条件下的压缩试验,所以本文用河沙、水泥、水按照一定比例制成含有丁字形裂隙的试样,利用 WDT-1500 多功能材料试验机开展了单轴压缩试验和三轴压缩试验,参考洞室围压等效原理来模拟岩体应力条件,研究丁字形裂隙岩体试样的力学特性及破坏模式。并基于试验数据的分析结果,建立多个损伤本构模型,确定最优模型并分析模型中参数的敏感性。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 含裂隙岩体强度的研究现状
在洞室开挖过程中,岩体是主要研究对象。由于岩体中裂隙的存在,使得岩体的整体性减弱,强度降低。为此,大量研究人员从岩体的强度特性对其进行了研究。吴志军[4]最早对不同性状裂隙的砂岩样品,采用核磁共振岩体渗漏过程实时在线分析成像系统,进行裂隙岩体渗漏试验,分析了渗漏过程中样品的体积含水量、T2 谱曲线和渗透系数的演化规律、裂缝岩体的渗透特性,与倾角、裂隙数之间的关系。结果表明渗透压力的增加对岩体裂隙的产生和扩展有影响,样品的渗透系数有缓慢增加然后稳定的趋势。
李元海[5]则研究了具有四个均匀分布的裂纹和不同角度中心孔的软岩体的力学特性和断裂模式。结果表明,单轴压缩条件下,裂纹的分布规律不同,会有三种破坏形式。而且试样单轴、双轴峰值强度,和脆性指标、裂隙倾角有关联,试样峰值强度随侧压力增加呈现对数形式增长。
陈蕴生[6]以实际岩体工程中涉及的岩体节理为参考,按固定比例将石膏、砂浆混合制成测试样品。通过在测试样品中预埋金属条的方法模拟不同的倾斜角度,用于研究在单轴压缩条件下“T”形交叉裂纹的力学性能。 刘毅[7]使用一定比例的水泥砂浆制备单裂隙和“T”形交叉裂隙的标本,分别进行单轴静态压缩试验和分级循环荷载试验,研究了具有不同几何特征断裂试样的磁滞曲线形状、力学性能、破坏模式和破坏规律。
王艳磊[8]研究了预先存在裂缝的几何参数对低强度岩石试样的力学性能和变形破坏模式的影响,结果表明,弹性模量和轴向峰值应变因存在裂缝而减小,但减小程度与先前存在裂缝的几何形状密切相关。
董倩倩[9]通过 3D 打印样品的单轴拉伸试验和数值模拟,研究了 S 形裂缝的裂纹萌生、聚结的行为和机理。结果表明,S 形裂缝的裂纹合并仅因为拉伸裂纹产生,且 S 形裂缝的尖端裂纹和非尖端裂纹模式可以根据裂纹的起始位置进行识别,发现倾斜角度和有效曲率对 S 形裂缝的破坏模式有很大影响。
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2.丁字形裂隙岩体试样的制备与试验方案

2.1 丁字形裂隙岩体试样材料的选取
学者们为了获得含有特定几何形式的裂隙试样,一般采用两种方法,一种是利用类岩石材料制作裂隙试件,在浇筑试件时,通过插入云母片、金属片、肥皂片等,制得所需要的裂隙。例如冯鹏[3]对裂隙岩体的动态力学性能进行研究,采用预制不同配合比的岩石材料试件,研究了应变率对两个不同倾斜角的不平行裂隙试样的力学和断裂行为的影响,并在数值上揭示了裂缝试样的断裂机理,从微观层面上分析了裂缝模型的能量特征。另一种是采用真实的岩石切割出不同的裂隙角度,来模拟裂隙的破坏形态。但后者制备试样的方法很困难,且成功率不高。而本人在总结了学者们的成果之后发现,水泥砂浆具有稳定性好、力学性质接近岩石的特性,因此本文选用水泥砂浆中插入金属片的方法来制备试样。
本文选用陕西省西安市浐河河砂,砂子的细度模数μf为 1.81,试验前将砂子洗净,去掉其中的杂质,再放入温度为 105℃的烘箱中烘 24h,将砂子烘干后,经 0.315mm 的筛网筛抖,留下 0.315mm 的细砂,制备试样。水泥标号选用 P.O.32.5R(GB175-2007)的普通硅酸盐水泥,水质选用蒸馏水。
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2.2 丁字形裂隙岩体试样的制备
制备试样选用内径为 50mm、高 100mm 的圆柱体有机玻璃模具,如图 2-1 所示。试验开始前经多次选配,确定水灰比为 0.45:1,水泥和砂子的质量比为 1:2。配好后将一部分水泥砂浆装入模具,振捣、压实,再将厚 0.3mm、长 20mm、宽 10mm 的铜片插入特制模具中,静置 8h 将铜片取出,24h 之后进行脱模,得到不同裂隙倾角的单裂隙试样和丁字形试样。
将准备好的试样放入温度为 20°C、湿度为 90%的养护箱中。  养护 28 天后,将试样取出并自然干燥。根据《工程岩体试验方法标准》,采用打磨机将试样的两个端面打磨,使两端面平行误差小于 0.05mm,高径比误差小于 0.3mm,试样端面垂直于轴线,偏差小于 0.25°,制得试样如图 2-2 所示。
图2-1  试验模具                               图2-2  试验试样
图2-1  试验模具                               图2-2  试验试样
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3.  单轴压缩条件下丁字形裂隙岩体的力学特性研究 ............................. 13
3.1 丁字形裂隙岩体的破坏模式 ......................................... 13
3.2 应力-应变关系 ........................................... 14
3.3 单轴压缩条件下丁字形裂隙岩体的强度特征和变形特征 ........................................ 15
4.  三轴压缩条件下丁字形裂隙岩体的力学特性研究 ....................................... 19
4.1 不同围压下的破坏形态分析 .................................. 19
4.1.1  三轴压缩围压为 4MPa 下试样的破坏形态分析 ............................................. 19
4.1.2  三轴压缩围压为 8MPa 下试样的破坏形态分析 ............................................. 20
5.基于不同裂隙倾角岩体损伤演化特性分析 ................................ 49
5.1 损伤模型的建立 ............................... 49
5.1.1 损伤变量 ................................................. 49
5.1.2 损伤模型的建立 .................................... 49

5.基于不同裂隙倾角岩体损伤演化特性分析

5.1  基于不同模型的参数拟合
第三章分析了在单轴压缩条件下,不同倾角单裂隙和丁字形裂隙试样的力学特性。其中 m 反映了岩石微元强度的分布集度[64],参数0 是关于岩石宏观平均强度的参数[65],本节主要通过拟合两个参数,来说明不同模型对于单裂隙、丁字形裂隙试样的适用性,不同模型的损伤本构方程中包含两个未知参数,这两个未知参数需要经过试验数据拟合才能得到,将第三章的力学参数经过处理后就能得到本构关系中的参数,如表 5-1 是丁字形裂隙试样的力学参数。
图5-1  试验数据与拟合关系曲线图
图5-1  试验数据与拟合关系曲线图
将表 5-1 中的力学参数代入 Weibull 分布函数的损伤本构模型中,得到在单轴压缩情况下,参数 m 和0 的拟合关系如图 5-1,并且得到拟合校正系数 Adj.R-Square=0.90114。将表 5-1 中的力学参数代入幂函数分布函数的损伤本构模型中,得到在单轴压缩情况下,参数 m 和0 的拟合关系如图 5-1,并且得到拟合校正系数 Adj.R-Square=0.95626。将表 5-1中的力学参数代入正态分布函数的损伤本构模型中,得到在单轴压缩情况下,参数 m 和0的拟合关系如图 5-3,并且得到拟合校正系数 Adj.R-Square=0.93416。
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6.结论与展望

6.1 结论
论文开展了丁字形裂隙岩体的单轴和三轴压缩试验,研究丁字形裂隙岩体的力学特性及破坏模式,基于 Weibull 分布函数、幂函数模型、正态分布模型建立了丁字形裂隙岩体的本构模型,分析了所建本构模型的适用性,得出以下结论:
(1)  单轴压缩条件下,对于单裂隙岩体来说,随着裂隙倾角的增大,试样的峰值强度增大。当主裂隙倾角为 0°时,随着主次裂隙夹角的增大,试样的峰值强度增大;当主裂隙倾角为 45°、90°时,随着主次裂隙夹角的增大,试样的峰值强度减小。
(2)  单轴压缩条件下,对于丁字形裂隙岩体来说,随着裂隙倾角的增大,试样的峰值强度增大。当主裂隙倾角为 0°、90°时,随着主次裂隙夹角的增大,试样的残余强度增大;当主裂隙倾角为 45°时,随着主次裂隙夹角的增大,试样的残余强度减小。
(3)  单轴压缩条件下,对于单裂隙岩体来说,随着裂隙倾角的增大,试样的弹性模量增大。当主裂隙倾角为 0°时,随着主次裂隙夹角的增大,试样的峰值强度增大;当主裂隙倾角为 45°、90°时,随着主次裂隙夹角的增大,试样的弹性模量减小。
(4)  开展了三轴压缩试验,研究了围压对丁字形裂隙岩体峰值强度、弹性模型、残余强度、应力-应变等的影响规律。结果表明,随着围压的增大,试样的峰值强度增大,发现当三轴压缩试验的3 从 0MPa 增加到 4MPa 时,试样的峰值强度增幅较大;随着围压的增大,试样的弹性模量也逐渐增大,但增加的速率减缓;试样的残余强度也随着围压的增大而增大,当三轴压缩试验的围压从 0MPa 增加到 4MPa 时,单裂隙与丁字形裂隙试样的残余强度也随围压的增加呈现逐渐增加的趋势,除裂隙倾角为 90°的单裂隙与丁字形裂隙试样外,其它试样的残余强度敏感性普遍比较高,试样的残余强度几乎呈几何倍数增长。在相同围压情况下,裂隙倾角对裂隙岩体的峰值强度、残余强度、弹性模量的影响与单轴压缩条件下的变化规律是一致的。
(5)  随着围压的增大,试样先发生剪切破坏,而后破坏模式演化为拉伸破坏。当围压为 4MPa 时,发现对于主裂隙倾角为 0°的试样,次裂隙参与了试样的破坏。对于主裂隙倾角为 0°的试样,次裂隙并未参与试样的破坏,对于主裂隙倾角为 45°的丁字形裂隙试样,随着围压的增大,其次裂隙开始参与试样的破坏。而对于主裂隙倾角为 90°的丁字形裂隙试样,则是次裂隙对破坏起主导作用。
参考文献(略)