岩石三维表面裂隙扩展机理及数值模拟研究

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岩体中原生裂隙的起裂、扩展、贯通以及岩体的破坏一直为工程地质界、岩石力学界和相关工程界所重视。但由于岩石三维裂隙的扩展理论不够完善,且试验时,即使是观察岩石三维表面裂隙的扩展也有困难,主要表现在翼裂纹的扩展很微弱,不易观察其扩展的起始时间、扩展长度、扩展状况等,内部扩展状况更难获得。由于理论及试验的局限性,致使该研究未取得突破性进展。因此,有必要借助数值模拟并对照试验现象对该问题进行研究。论文采用数值模拟对比试验现象进行研究,模拟了含45°表面裂隙的岩石试件在单轴压缩条件下的裂隙扩展过程。具体方法如下:1、将岩体裂隙扩展看成是构成材料单元损伤累积的过程;2、数值计算中,基于快速拉格朗日方法,利用FLAC-3D中的Fish语言编制考虑材料单元参数软化模型的数值计算程序;3、以Mohr-Coulomb模型中单元发生破坏为判断依据(即单元达到塑性),当单元发生塑性流动时,对屈服单元参数进行修正,如粘聚力、摩擦角、膨胀角和张拉强度等。当材料单元产生拉破坏时,直接将该单元参数重新赋一个很小的值;若材料单元出现剪破坏时,则将单元参数乘以一个残余强度系数,模拟破坏过程中单元的残余强度和破裂面的摩擦效应;4、对照试验结果及单元的应力状态及时修正破坏单元的参数赋值。本文在二维岩石破裂过程分析研究的基础上,利用数值模拟的方法对预制三维表面裂隙的岩石试件裂隙扩展过程进行了分析,研究了单轴压缩荷载作用下岩石介质中三维表面裂隙的萌生和扩展的机理,进一步揭示岩石破裂过程失稳的基本规律。
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