【摘 要】
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裂隙岩体是一种常见的工程介质,在工程实践中经常受到扰动而处在复杂应力场中,其内部的原生裂隙往往会开裂产生新生裂纹并进一步扩展,最终与其他裂隙贯通造成局部或整体破坏,进而危害工程的稳定性。裂纹的扩展、贯通机理是岩石断裂力学领域长期关注的课题之一,目前国内外相关研究主要集中在受压作用下含预制直裂隙脆性材料的力学性能和破坏机理的研究上。但岩体中不仅存在直裂隙,还存在各种形状的非直裂隙,而当前对于受拉状态
【基金项目】
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国家自然科学基金(51808185);
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裂隙岩体是一种常见的工程介质,在工程实践中经常受到扰动而处在复杂应力场中,其内部的原生裂隙往往会开裂产生新生裂纹并进一步扩展,最终与其他裂隙贯通造成局部或整体破坏,进而危害工程的稳定性。裂纹的扩展、贯通机理是岩石断裂力学领域长期关注的课题之一,目前国内外相关研究主要集中在受压作用下含预制直裂隙脆性材料的力学性能和破坏机理的研究上。但岩体中不仅存在直裂隙,还存在各种形状的非直裂隙,而当前对于受拉状态下非直裂隙从起裂到扩展、破坏的演化过程探索相对较少,以及对受压状态中直与非直裂隙相互作用下裂纹破坏行为和岩桥贯通破坏模式尚未得到实际阐明。因此考虑开展非直裂隙破坏行为的研究对断裂力学理论和工程实际均具有重要的意义。本文通过使用3D打印技术制备了含预制弯折裂隙、Y型裂隙的两种脆性材料试件进行单轴拉伸试验,同时制备了含预制断续K-S型组合裂隙(一条弯折裂隙与一条直裂隙)的脆性材料试件,对其进行单轴压缩试验。探究了在单轴拉伸、压缩试验下试件的力学特性和裂纹破坏行为。此外,基于RFPA2D软件开展了数值模拟,将模拟结果与试验结果进行了比对和验证。本文完成的工作如下:(1)在单轴拉伸试验中,分别以主裂隙倾角、分支裂隙倾角和分支裂隙长度为变量,结合应力-应变曲线综合分析了不同变量对试件力学特性、裂纹扩展规律及裂纹破坏机制的影响。结果表明含弯折裂隙、Y型裂隙试件的轴向应力-应变曲线与基准直裂隙试件的曲线类似,说明主裂隙的破坏占试样破坏的主要部分;不同裂隙几何特征均对试件强度有较大的影响,但分支裂隙长度改变对预制裂隙的破坏模式以及起裂角度的影响很小;试验发现了弯折裂隙的两种破坏模式,以及Y型裂隙的三种破坏模式。(2)在单轴压缩试验中,以断续K-S型裂隙中的弯折裂隙的分支裂隙倾角为变量,结合应力-应变曲线分析了分支裂隙倾角对试件力学特性、裂纹扩展规律及岩桥贯通机制的影响。结果表明分支裂隙倾角对试件整体的应力-应变行为影响较小,峰值应力的百分比相差均在10%以内;分支裂隙倾角控制了裂纹的初始位置和形态,与拉伸试验相似,试验发现了两种起裂模式;与基准的直裂隙试件相比,改变分支裂隙倾角对岩桥贯通破坏模式有重要影响,并根据岩桥是否贯通将破坏模式分为两种。(3)在单轴压缩过程,使用高速摄像机拍摄试件表面裂纹扩展、破坏过程,同时利用数字图像相关方法(DIC)获得了不同加载阶段试件的应变场和位移场的云图,发现图中应变集中的部位与开裂部位相互对应,为脆性破坏监测中判断内部裂纹产生的位置提供了依据。揭示了具有复杂缺陷的脆性材料中,直裂隙与非直裂隙的相互作用下试件整体变形以及裂纹的破坏行为。(4)介绍了真实破裂过程分析(RPFA)的基本理论,使用RPFA2D对上述两组试验下预制非直裂隙试件试验进行了数值模拟。通过对比试验结果中的裂纹的起裂位置、起裂方向和扩展路径,验证了RPFA2D模拟脆性材料破坏的有效性,并对数值模拟中裂纹起裂、扩展和贯通的全过程进行了分析。
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