滲流-應(yīng)力耦合作用下三維表面單裂隙擴(kuò)展機(jī)理研究.pdf

1、裂隙巖體是巖土工程、水利水電工程和環(huán)境工程經(jīng)常遇到的一類復(fù)雜介質(zhì)，在外荷載作用下，巖體中存在的大量裂隙開始萌生、擴(kuò)展和貫通，最終導(dǎo)致巖石失去承載能力發(fā)生破壞。
　　目前在理論方面多數(shù)將三維裂隙簡(jiǎn)化為二維進(jìn)行研究，但自然界的裂隙大多數(shù)都是三維的，簡(jiǎn)化為二維往往會(huì)丟失一部分三維數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)方面，由于真實(shí)巖石不均質(zhì)性、不透明性和裂隙制作等困難，許多學(xué)者采用類巖石材料來代替真實(shí)巖石研究裂隙擴(kuò)展，上述研究雖然可以得到一部分裂隙擴(kuò)展成果，但畢

2、竟不是真實(shí)的巖石，與真實(shí)巖石中裂隙的擴(kuò)展具有一定的差距。本文在充分總結(jié)分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，對(duì)裂隙在單軸、三軸壓縮和滲流條件下裂隙擴(kuò)展過程進(jìn)行了細(xì)致的研究。
　　(1)總結(jié)了裂隙按裂隙賦存狀況、力學(xué)成因及考慮其它因素時(shí)的分類方法以及斷裂力學(xué)中Griffith的斷裂強(qiáng)度理論、Orowan理論等其它有關(guān)裂隙擴(kuò)展的基本理論。
　　(2)通過對(duì)無裂隙的紅砂巖進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，在單軸荷

3、載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷四個(gè)階段:裂隙壓密階段、彈性階段、非穩(wěn)定發(fā)展階段和應(yīng)變軟化階段，試件破壞形式為柱狀劈裂破壞;在三軸荷載作用下，峰值強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)應(yīng)變和殘余強(qiáng)度等隨著圍壓的增加而增加，試件的破壞形式為剪切破壞。
　　(3)采用紅砂巖制作含不同角度和張開度的三維表面單裂隙，進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，單軸壓縮條件下，當(dāng)裂隙傾角≤60°時(shí)，含裂隙試件的峰值強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)應(yīng)變隨著傾角的增大而減小，當(dāng)傾角為75°時(shí)，試件的峰值強(qiáng)度及

4、對(duì)應(yīng)的應(yīng)變略有增加;張開度為1.0、1.5和2.0的裂隙試件，隨著張開度的增加，試件的峰值強(qiáng)度減小，但相差不大;試件在單軸荷載作用下，含裂隙試件的破壞形式為由翼裂紋和反翼裂紋組成的“H”型破壞。
　　(4)采用高清攝像頭對(duì)裂隙試件單軸壓縮過試驗(yàn)程進(jìn)行錄像，通過對(duì)比分析錄像截圖研究裂隙擴(kuò)展過程:不同傾角裂隙擴(kuò)展過程是隨著試驗(yàn)荷載增加，首先在裂尖處出現(xiàn)小范圍的壓碎區(qū)，裂隙傾角＜60°時(shí)是翼裂紋起裂，擴(kuò)展一小段長度后就停止擴(kuò)展，接著是反

5、翼裂紋起裂，試驗(yàn)荷載繼續(xù)增加，反翼裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，傾角≥60°時(shí)，不易觀察到翼裂紋起裂;傾角45°時(shí)，裂紋最容易萌生、擴(kuò)展比較均勻，而傾角75°時(shí)，裂紋不易萌生，擴(kuò)展比較劇烈。
　　(5)通過含傾角45°裂隙試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，圍壓越大，含裂隙試件峰值強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與完整紅砂巖試件的差值就越小;試件的宏觀破壞模式是由翼裂紋和反翼裂紋組成的“H”型破壞，且圍壓越大，產(chǎn)生的Ⅰ型和Ⅲ型裂紋數(shù)目越多。
　

6、　(6)通過含傾角45°裂隙試件滲流試驗(yàn)，相同圍壓下，水壓越大，裂隙對(duì)巖石強(qiáng)度削弱越大;相同水壓下，圍壓越大，裂隙對(duì)紅砂巖強(qiáng)度削弱程度越小;含裂隙試件宏觀破壞模式由翼裂紋和反翼裂紋組成的“H”型破壞，水壓越大，含裂隙試件破壞越劇烈。
　　(7)通過對(duì)在單軸荷載、三軸荷載和滲流試驗(yàn)中的部分試件進(jìn)行縱向CT掃描，得到了不同剖面裂隙擴(kuò)展模式。各剖面圖的翼裂紋和反翼裂紋都是豎向裂紋，在擴(kuò)展過程都發(fā)生了偏折;單軸荷載作用下，靠近試件中心位置

7、的剖面，裂紋包裹著裂隙發(fā)生擴(kuò)展;三軸荷載作用下，翼裂紋和反翼裂紋擴(kuò)展比較微弱，且出現(xiàn)了Ⅰ和Ⅲ型裂紋，圍壓越大，這種次生裂紋越明顯，數(shù)目越多;滲流試驗(yàn)條件下，翼裂紋和反翼裂紋都能擴(kuò)展到試件的端部。
　　(8)通過含傾角45°裂隙試件模型進(jìn)行單軸荷載和三軸荷載作用下數(shù)值模擬計(jì)算，裂隙擴(kuò)展過程與宏觀試驗(yàn)結(jié)果基本一致，只是數(shù)值模擬時(shí)裂隙擴(kuò)展過程沒有發(fā)生偏折，而宏觀試驗(yàn)中裂隙擴(kuò)展發(fā)生了偏折;翼裂紋是受拉應(yīng)力和拉剪應(yīng)力作用破壞的，反翼裂紋主要