稳定渗透水压作用下裂隙岩体断裂破坏机制研究

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我国隧道和地下工程数量多、水文地质及结构形式复杂且施工难度大,突水突泥灾害是制约地下工程建设的重要因素。富水、高压和不良地质是诱发突水突泥灾害的主要地质条件。在渗透水压持续稳定作用和工程扰动的共同影响下极易形成突水突泥通道,引发突水突泥灾害。因此,研究稳定渗透水压作用下岩体受外荷载影响的宏观力学特征及其断裂破坏机理,对隧道和地下工程突水突泥灾害防控治理有重要的科学研究和实际工程意义。基于自主研制的稳定渗透水压试验装置,实现裂隙岩体受外荷载下裂纹起裂、扩展瞬态过程中渗透水压稳定作用的效果。开展了稳定渗透水压作用的裂隙岩体单轴压缩和循环加卸载试验,分析了受稳定渗透水压作用的裂隙岩体单轴压缩力学特征和初始裂纹扩展规律,基于能量准则探究了循环加卸载过程中稳定渗透水压和裂隙倾角影响的裂隙岩体能量机制及损伤特征。主要有以下成果:(1)裂隙张开度和倾角复合影响的裂隙岩体单轴压缩试验结果表明:随裂隙张开度增加,裂隙岩体峰值强度随裂隙倾角增加的变化规律由先减小后增大逐渐转变为递增规律,峰值强度最小值对应裂隙倾角从45°向0°偏移。利用颗粒流数值分析软件,结合预制裂隙位移及其邻域附近力链演化特征,发现预制裂隙面存在挠曲变形现象;在小张开度条件下出现预制裂隙面接触闭合现象,预制裂隙闭合度与拉伸裂纹发育的先后顺序是裂隙张开度影响裂隙岩体强度规律的主要原因。(2)随着裂隙张开度的减小,单轴压缩下水平裂隙岩体裂纹起裂位置由预制裂隙中部附近向预制裂隙尖端偏移。为进一步阐释此现象,结合数值模拟分析预制裂隙面位移特征。结果表明:加载过程中,0.4mm及以下张开度裂隙试件预制裂隙面出现预制裂隙面闭合现象,且裂隙张开度越小,裂隙面接触时间越早;建立了固支梁模型,从挠曲变形的角度分析不同张开度水平裂隙试件裂纹萌生机理,并使用数值模型进行验证。(3)推导出渗透水压作用下张开裂隙发生复合断裂时的临界应力。在其他条件一致的情况下,渗透水压越大,裂隙岩体起裂强度越低;围压越大,起裂强度越高;随裂隙倾角增大,裂隙岩体起裂强度先减小后增加。根据最大周向应力原理、最大能量释放率理论和应变能密度理论对水-力耦合作用的裂隙岩体起裂特征进行探讨分析。通过主裂隙影响的翼端应力强度因子和单个翼形裂纹尖端应力强度因子进行叠加计算出翼形裂纹尖端I型应力强度因子。根据断裂判据,求解出受压剪作用下翼裂纹扩展时临界渗透水压力。(4)开展了1MPa稳定渗透水压作用的裂隙岩体单轴压缩破断试验。渗透水产生的水压力和软化作用加速了裂纹萌生和扩展,不同程度的弱化了裂隙岩体峰值强度和弹性模量;裂隙岩体萌生的初始裂纹扩展长度在渗透水压下更长。声发射振铃计数和振铃计数总数在裂隙岩体初期压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段以及破坏阶段呈现不同的演化特征。最后,基于颗粒流软件PFC2D开展了流固耦合实验,分析了渗透水压作用的裂隙模型应力-应变曲线、微裂纹数量演化特征以及初始阶段和裂纹起裂阶段预制裂隙面附近力链演化机制。(5)稳定渗透水压作用的裂隙岩体单轴循环加卸载试验结果表明:裂隙岩体在第1个循环阶段产生的竖向不可逆变形量最大,第二个循环即发生陡降,随后趋于平稳,且较无水压时水压下的不可逆变形量更大;基于不可逆应变进行损伤特征分析,随着循环次数的增加,裂隙岩体损伤参数逐渐减小,损伤变量逐渐增大,损伤逐渐累积。从能量的角度分析裂隙岩体循环阶段的能量机制发现:水压作用下裂隙岩体循环阶段产生的耗散能更多,随着循环次数增加,裂隙岩体内部能量耗散逐渐减少;耗散能占比在第1个循环高于弹性能占比,裂隙岩体能量耗散占主要部分,后续循环能量耗散占比大幅降低,大量弹性应变能被释放;基于耗散能定义裂隙岩体循环阶段产生的损伤变量能合理地描述循环加载过程中裂隙岩体损伤演化特征。
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