含多条非贯通节理岩体的破坏机理与声发射特性试验研究

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非贯通节理岩体为边坡和地下洞室工程中经常遭遇的一类复杂的工程介质,节理的存在及其相互影响对岩体的破坏和力学特性起着决定性的作用。本文采用水泥砂浆作为相似材料模拟砂岩,制作包含多条非贯通节理的岩体试件,开展了一系列的单轴、双轴及三轴压缩试验。同时,在试验过程中采用多通道声发射检测仪对试件的破坏过程进行了动态监测。通过物理试验、理论分析及数值模拟试验对包含多条节理岩体试件的变形和力学特性、破坏模式、分支裂纹的扩展和贯通机制以及声发射特性进行了分析研究,主要成果及创新点如下:(1)多节理岩体试件的破坏模式主要取决于裂纹的类型(翼裂纹和次生共面裂纹)和扩展路径。单轴压缩下随节理几何参数的变化主要衍生出的破坏模式有:平面破坏、台阶式破坏、块体转动破坏及混合破坏;双轴压缩下随着侧压σ2水平的提高,试件的破坏模式由节理面间的贯通破坏转变为岩体材料的压剪破坏;三轴压缩下随着围压的变化,45°试件的破坏模式均为沿试件对角线上节理面的平面破坏。(2)应力-应变关系曲线的线形特征受岩体试件上位置变化的节理的影响显著。单轴压缩下,根据节理岩体试件应力-应变曲线在峰后破坏阶段的线形特征,可以将其归纳为四种类型:单峰跌落式曲线、屈服后应变硬化式曲线、锯齿状应变软化曲线及渐进式应变软化式曲线;双轴压缩下,应力-应变曲线在峰前阶段存在先屈服后应力强化的现象;三轴压缩下,应力-应变曲线较为光滑,峰后残余强度水平较高。(3)试件峰值强度σma和弹性模量E的各向异性特征受节理倾角β及侧压σ2的影响非常明显。单轴压缩下,试件的峰值强度σmax随节理倾角β增加呈先减小后增加的变化规律,峰值强度σmax-节理倾角β关系曲线呈“U”形分布。当节理倾角β≤60°时试件的弹性模量E在5-10GPa间小幅波动,当节理倾角β≧75°时试件的弹性模量E超过19GPa。在双轴压缩条件下,随着σ2的增加,“U”形曲线中间部位逐渐抬高,曲线的分布特征逐渐趋于平坦,即随着σ2的增加,峰值强度受节理倾角的影响变小。同时,侧压σ2对试件的弹性模量E没有明显的影响,其随节理倾角的变化规律没有变化。(4)多节理岩体试件在单轴压缩下的声发射时序特征能够较好的反映试件内部裂纹的萌生和扩展状态。试件的声发射时序分布特征具有明显的阶段性特点。根据事件率反映的声发射活跃程度及事件累积计数的特征变化,可以将节理试件在整个加载过程中的声发射时序特征过程大致分为四个阶段。(5)声发射b值反映了声发射幅值分布的比例,也代表着岩体在荷载作用下声发射大小的相对尺度。在本研究中,在裂纹处于稳定扩展阶段时,b值在2-3之间波动;当裂纹开始发生不稳定扩展时b值减小;具有不同倾角节理岩体试件的b值在应力到达峰值强度时趋于一个定值,约为1.66。(6)将时间作为中间变量,声发射与力学特征参数间即可建立一一对应的关系,利用岩石微元强度weibull分布概率密度函数,推导出基于声发射事件累积计数的节理岩体损伤模型及本构关系,该损伤模型较好的反映了试件的损伤随加载进程的变化关系。(7)采用改进刚体弹簧法程序,模拟了多节理岩体试件在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,重现了多节理岩体试件在物理试验中的破坏模式,并进一步从微细观的角度揭示了裂纹的萌生和扩展机制。
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