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工程岩体中普遍存在着断层、节理、裂隙等不连续面,这些结构面的存在破坏了岩体的连续性。岩体受到工程开挖的扰动后,工程稳定性大多不是取决于岩石本身的特性,而是由其中的结构面决定,裂隙是其中主要的一种。在长期载荷作用下,扰动后的裂隙岩体的变形随时间的延续而逐渐增长,甚至破坏。因此,岩石三维裂隙的起裂、扩展及流变特性研究是当今岩土界的重要课题。本文采用室内试验方法对岩石通透裂隙试件进行常规和蠕变荷载作用下单轴和三轴压缩试验,并结合理论分析与数值模拟研究裂隙扩展机理和裂隙试件的流变特性。
(1)通过对裂隙试件进行常规荷载作用下单轴、三轴压缩试验得出,在单轴与三轴压缩荷载作用下,试件峰值强度与峰值应变随倾角的增大呈逐渐增大的趋势;单轴压缩荷载作用下,裂隙的主要扩展裂纹为翼裂纹;三轴压缩荷载作用下,预制裂隙倾角≤30°时,裂隙的主要扩展裂纹均为翼裂纹,且翼裂纹起裂方向与最大主应力夹角约为30°,当预制裂隙倾角≥45°时,裂隙起裂方向与最大主应力方向夹角为25°左右,试件主要破坏形式均为反翼裂纹。
(2)利用数值模拟软件FLAC3D对裂隙试件在常规荷载作用下裂隙扩展过程进行模拟,还原裂隙扩展过程,通过将模拟与试验进行对比可以看出,模拟裂纹扩展与试验裂纹扩展大致相符,试件的应力集中区分布在裂隙尖端,且关于预制裂隙中心呈中心对称分布。
(3)基于本试验加载时间条件下,对完整岩石与裂隙试件进行蠕变荷载作用下单轴、三轴压缩试验研究得出,单轴蠕变荷载作用下,试件的长期强度为常规荷载峰值强度的65%左右;三轴蠕变荷载作用下,试件长期强度为常规荷载作用下的峰值强度的70%左右。
(4)基于本试验加载时间条件下,单轴蠕变荷载作用下试件的峰值应变与常规单轴试验相比,轴向应变增长0%-5%,径向应变增加1.5倍左右;三轴蠕变荷载作用下试件的峰值应变与常规三轴应变相比,两者轴向应变变化很小,径向应变增加0.6倍左右。
(5)单轴蠕变荷载作用下,裂隙倾角为15°、45°的试件主要扩展模式为翼裂纹,裂隙倾角为75°的试件主要扩展模式为反翼裂纹,而常规单轴荷载作用下,裂隙的主要扩展模式均为翼裂纹;三轴蠕变试验时,裂隙试件的的主要扩展模式均为反翼裂纹,常规三轴荷载作用下,裂隙倾角为15°、45°的试件主要扩展模式为翼裂纹,而裂隙倾角为75°的试件主要扩展模式为反翼裂纹。
(6)根据岩石蠕变试验曲线特点,对蠕变本构模型中基本元件及蠕变组合模型进行辨识分析,选用适合蠕变曲线的Burgers模型,对蠕变曲线拟合,获得蠕变力学参数,根据损伤理论和断裂理论得到损伤蠕变模型和时效扩展模型。
(7)通过裂隙扩展数值模拟可以看出,蠕变荷载作用下,裂隙尖端首先出现翼裂纹,之后反翼裂纹开始扩展;在裂隙扩展前期,裂纹扩展速度较为缓慢,最后翼裂纹与反翼裂纹出现加速扩展现象。
(8)采用FLAC3D对蠕变荷载作用下裂隙岩石试件进行数值模拟,可以看出,翼裂纹的起裂是拉应力作用的结果,而反翼裂纹起裂是压应力作用的结果;试件裂隙尖端位置出现应力集中区,随着加载进行,应力集中区不断变化,应力集中区关于预制裂隙中心位置呈现中心对称分布。
(1)通过对裂隙试件进行常规荷载作用下单轴、三轴压缩试验得出,在单轴与三轴压缩荷载作用下,试件峰值强度与峰值应变随倾角的增大呈逐渐增大的趋势;单轴压缩荷载作用下,裂隙的主要扩展裂纹为翼裂纹;三轴压缩荷载作用下,预制裂隙倾角≤30°时,裂隙的主要扩展裂纹均为翼裂纹,且翼裂纹起裂方向与最大主应力夹角约为30°,当预制裂隙倾角≥45°时,裂隙起裂方向与最大主应力方向夹角为25°左右,试件主要破坏形式均为反翼裂纹。
(2)利用数值模拟软件FLAC3D对裂隙试件在常规荷载作用下裂隙扩展过程进行模拟,还原裂隙扩展过程,通过将模拟与试验进行对比可以看出,模拟裂纹扩展与试验裂纹扩展大致相符,试件的应力集中区分布在裂隙尖端,且关于预制裂隙中心呈中心对称分布。
(3)基于本试验加载时间条件下,对完整岩石与裂隙试件进行蠕变荷载作用下单轴、三轴压缩试验研究得出,单轴蠕变荷载作用下,试件的长期强度为常规荷载峰值强度的65%左右;三轴蠕变荷载作用下,试件长期强度为常规荷载作用下的峰值强度的70%左右。
(4)基于本试验加载时间条件下,单轴蠕变荷载作用下试件的峰值应变与常规单轴试验相比,轴向应变增长0%-5%,径向应变增加1.5倍左右;三轴蠕变荷载作用下试件的峰值应变与常规三轴应变相比,两者轴向应变变化很小,径向应变增加0.6倍左右。
(5)单轴蠕变荷载作用下,裂隙倾角为15°、45°的试件主要扩展模式为翼裂纹,裂隙倾角为75°的试件主要扩展模式为反翼裂纹,而常规单轴荷载作用下,裂隙的主要扩展模式均为翼裂纹;三轴蠕变试验时,裂隙试件的的主要扩展模式均为反翼裂纹,常规三轴荷载作用下,裂隙倾角为15°、45°的试件主要扩展模式为翼裂纹,而裂隙倾角为75°的试件主要扩展模式为反翼裂纹。
(6)根据岩石蠕变试验曲线特点,对蠕变本构模型中基本元件及蠕变组合模型进行辨识分析,选用适合蠕变曲线的Burgers模型,对蠕变曲线拟合,获得蠕变力学参数,根据损伤理论和断裂理论得到损伤蠕变模型和时效扩展模型。
(7)通过裂隙扩展数值模拟可以看出,蠕变荷载作用下,裂隙尖端首先出现翼裂纹,之后反翼裂纹开始扩展;在裂隙扩展前期,裂纹扩展速度较为缓慢,最后翼裂纹与反翼裂纹出现加速扩展现象。
(8)采用FLAC3D对蠕变荷载作用下裂隙岩石试件进行数值模拟,可以看出,翼裂纹的起裂是拉应力作用的结果,而反翼裂纹起裂是压应力作用的结果;试件裂隙尖端位置出现应力集中区,随着加载进行,应力集中区不断变化,应力集中区关于预制裂隙中心位置呈现中心对称分布。