含预制裂隙花岗岩压缩破裂机理与实验研究

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天然岩体在长期的地质运动和风化作用影响下,内部存在大量的节理、裂隙、孔洞等缺陷。在外荷载的作用下,这些缺陷处容易发生裂缝的萌生、扩展和贯通,从而导致岩体失稳破坏,诱发岩体工程灾害。因此研究裂隙岩体的损伤演化规律和增韧止裂方法对于岩体工程具有重要的意义。基于此,本文结合理论分析、室内实验和数值模拟方法对预制裂隙花岗岩试件开展了力学性质和压缩破坏特性研究,同时研究了裂隙填充物的影响效应。本文开展的主要工作及得到的主要结论如下:(1)总结了岩石裂隙三种复合型断裂判据,根据界面接触理论推导了填充物与裂隙之间的相互作用机理。理论分析结果表明填充物通过与裂隙界面之间的界面接触作用而承担一定荷载,降低裂隙尖端的应力强度因子大小,从而延缓开裂。(2)对含预制裂隙的花岗岩试件进行了单轴压缩实验,分析了试件的强度特性、破坏过程和裂隙尖端应变状态。结果表明,预制裂隙对试件的强度具有明显的削弱作用,并且试件的强度随着裂隙倾角的增大而增大;起始于预制裂隙的裂纹扩展贯通导致了裂隙试件的破坏;随着裂隙倾角的增大,试件的起裂应力和贯通应力增大,试件的破坏类型也逐渐由张拉破坏转变为剪切破坏。(3)对三种不同材料填充的裂隙花岗岩试件进行了单轴压缩实验,探究了不同填充物属性对裂隙试件的强度和破坏特性的影响。试验结果表明,裂隙中的填充物能够延缓试件的开裂,提高裂隙试件的强度。具体填充效果与填充物材料参数相关,填充物的弹性模量和强度越大,其发挥的承载作用越大,填充作用效果越好;填充效果还受到裂隙倾角的影响,随着裂隙倾角的增大填充物的作用效果逐渐下降。(4)利用RFPA数值软件对上述实验进行了数值模拟验证,RFPA分析得到的不同填充状态的裂隙试件的受压破坏特性和力学性质与实验结果相吻合。此外,还利用该软件分析了裂隙及填充物的参数对试件力学性质及受力状态的影响。结果表明,随着裂隙长度和宽度的增大,裂隙尖端应力集中效应增加,试件峰值强度降低;随着填充物弹性模量的增大,裂隙尖端应力集中效应下降,试件峰值强度增加;随着填充物强度的增大,填充物能发挥承载的能力越强,试件峰值强度增加。
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