双轴压缩下预制裂隙类岩石材料破坏实验研究与数值分析

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1、双轴压缩下预制裂隙类岩石材料破坏实验研究与数值分析第一章绪论1.1研究背景及意义岩体的力学性质与岩体结构面、结构体及赋存条件有关，在岩体内存在的各种地质界面，如物质分异面、不连续面、假整合、褶皱、断层等，因此，岩体属于典型非连续介质[1]。对于岩体的力学数值模拟计算一般将岩体看作为连续介质[2]，便于对工程实际进行计算，加快数值模拟实验收敛，但其计算结果与实际存在一定差距。Griffith强度准则是针对玻璃和钢等脆性材料提出来的，因而只适用于研究脆性岩石的破坏。而对一般岩石材料，Mohr-Coulomb强度准则实用性

2、要远大于Griffith准则。Inglis[4]计算了无限大板中含一条贯穿裂纹的弹性力学精确分析解，计算出裂纹应力与位移解。Irmer[8]于1969年采用丙烯酸树脂玻璃棒侧面环向裂纹，并加张力和扭力，初始破裂为双矛头状，该双矛头状破裂的三维裂纹的正面图案为《EngineeringFractureMechanics》杂志永久封面。1970年Knauss[9]在丙烯酸树脂玻璃中加工深割口，并在面上黏贴黄铜片，施加剪切荷载，构成反平面剪切裂纹。Palanisy(1978)[10]采用调整拉张裂纹方向成欧拉角搜索的方法拟合

3、纯Ⅲ型裂纹，但其结果是一个平面解，不能解释三维破裂的曲面形状。Cox和Scholz（1988）[11]进行了一系列岩石样品剪切应力条件下的三维破裂实验研究，Scholz（1990）[12]对断层的三维破裂模型给出了猜想性描述，但没有给出严格证明。对于裂隙岩体理论研究框架基本形成，形成了一套比较完整的理论，并且国内外的学者不断丰富和发展裂隙岩体裂纹的扩展，使得裂隙的研究不断完善。..1.2研究方法及现状经过100多年发展，对裂隙的研究取得了不少成就，裂隙的研究源于断裂力学，开始主要应用于金属断裂力学。通过实验和理论计算

4、，断裂力学能很好地解释岩石破坏过程中的现象，因此岩石断裂力学逐渐为国内外岩石力学领域的专家和学者所接受。岩石断裂力学目前仍是一门年轻学科，其相关研究在国内外呈现出一片欣欣向荣景象。目前对于岩石断裂力学研究所取得的成就主要包括三个方面：理论研究，实验研究及数值模拟研究。最早人们用含椭圆孔平板受拉伸时弹性解作为裂纹研究模型，当拉伸应力垂直于椭圆长轴时，长轴端点出的环向应力最大。1913年Inglis[4]通过理论计算求得了裂纹周围应变能密度的解。Griffith[3]没有直接考虑裂纹尖端应力，绕过这一矛盾得出裂纹扩展时整

5、个弹性板所释放的弹性势能。Griffith利用Inglis得到的裂纹周边应变能密度作为全场积分，在板厚为1并假定平面应力情况下得到裂纹周边弹性势能。Griffith理论建立在普遍试用的能量概念基础上，并以包含整个裂纹的物体作为研究对象，突破了传统局部分析方法，为此，Griffith被认为是断裂力学的创始人。Sneddon[13]从数学力学出发，证明了裂纹前缘应力分量具有奇异性。欧文（1957年）[6]提出了应力强度因子概念，此概念在断裂力学中占有重要地位，同时将裂纹分为三种类型：Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅲ型裂纹，其中Ⅰ型

6、裂纹代表在垂直于裂纹面拉应力作用下，裂纹表面位移垂直于裂纹面的情况，所以又称作为张开型裂纹；Ⅱ型裂纹和Ⅲ型裂纹代表在剪应力作用下，裂纹表面相互滑移的影响，也称作为剪切裂纹，Ⅱ型裂纹为面内剪切裂纹，Ⅲ型裂纹为面外剪切裂纹[14]。..第二章双轴压缩下预制裂隙类岩石材料破坏实验2.1试样的裂隙空间布置及试样制备为研究裂隙扩展过程及规律，进行了相关的物理力学实验。裂隙岩石实验的制备严格按照制定的实验方案进行，每个试样的骨料和粘结材料配比保持一致，避免材料因配比不同而造成试样强度不同。裂隙类岩石材料的装模、脱模、打磨及养护过

7、程均按照实验步骤依次进行，及时取出预埋在试样中铁片；养护过程每天浇水，保证试样自然凝结，使有序裂隙类岩石材料达到预期要求。其中预制裂隙是通过预埋铁片，待试样初凝后取出预埋铁片的方法获得贯穿裂隙试样。为了体现裂隙类岩石材料岩桥的脆性破坏，实验采用与岩石相似的模型材料制作出类岩石模型材料，其凝结材料为P32.5水泥，所用骨料为沙，筛选沙的筛子型号为20目（孔径0.85mm），然后将水泥、沙和水按照一定的配比混合而成，其质量比为：水泥：沙：水=26:25:10[22]。下面详细介绍有序裂隙类岩石材料裂隙空间布置、制备过程及

8、实验具体加载过程。2.2有序裂隙类岩石材料加载及实验结果记录加载设备为长春朝阳试验仪器有限公司生产的RYL-600微机控制岩石剪切流变仪（如图2.5），该公司长期从事研究、开发、制造实验机，公司在国内实验仪器制造处于领先地位。RYL-600微机控制岩石剪切流变仪功能齐全，能实现单轴压缩实验、单轴压缩流变实验、三轴压缩实验、三轴压缩流变实验、剪切