单轴压缩下砂泥岩复合岩体裂隙扩展机制研究

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侏罗系地层中发育了大量的砂泥岩缓倾角斜坡,由于砂岩、泥岩的结构和强度差异,导致该类斜坡演化为滑坡灾害的可能性较高。在砂泥岩斜坡演化过程中,随着岩体强度和变形的差异变化,斜坡中的结构面(构造节理等)将进一步萌生、扩展甚至贯通,从而形成斜坡的潜在破坏面。为揭示斜坡中潜在破坏面的形成过程,开展砂泥岩复合结构岩体中裂隙扩展机制的研究,对该类斜坡灾害的灾害防控具有重要理论意义与工程价值。本文采用物理试验与理论相结合的方法,研究砂泥岩复合岩体的裂隙扩展机制。通过对砂岩、泥岩以及砂泥岩复合相似试样进行单轴压缩试验并伴以数字散斑相关技术(digital image correlation,DIC)监测,获得了砂岩、泥岩和砂泥岩复合相似试样在试验期间的应力应变曲线以及应变/位移场。在物理试验的基础上,通过离散元数值试验,研究了含岩层倾角的复杂裂隙系统下砂泥岩复合岩体裂隙扩展过程。本文的主要研究内容及成果如下:(1)基于物理试验得到的试件破坏图和DIC图像,通过应力应变曲线、起裂角度以及起裂应力值等分析得到随着裂隙角度增大,峰值强度随之增大,相同裂隙角度下,含双裂隙的试样峰值强度均低于单裂隙试样的规律。裂缝尖端下翼的起裂角角度普遍大于上翼起裂角,即下翼较上翼更易受到加载方向的影响。(2)针对砂岩或泥岩单一岩性试样的单裂隙情况下:当α=0°时,裂隙尖端分别向上下垂直扩展,整体呈现为I-II(张开型-滑移型)复合型裂纹;当α=45°时,裂纹扩展路径近似“中心对称”,也属于I-II复合型裂纹;当α=90°时,裂纹最终形成上下贯通的张拉裂纹,整体呈现为I型裂纹。双裂隙情况下且相同倾角时,双裂隙形式的裂隙扩展规律与单裂隙形式具有一定相似性,但是具有靠近岩桥部分尖端发育的裂纹会形成连通并贯穿岩桥的差异性。针对砂泥岩复合试样,其砂岩或泥岩部分的裂隙扩展规律与单一岩性基本相同,只是裂纹穿过界面时会发生弯折。(3)采用离散元数值模型对含预制裂隙的单一以及复合岩性岩体分别进行单轴压缩数值模拟试验,结果验证了模型的可靠性。考虑了多组不同预制裂隙角度的数值模型试样进行单轴压缩试验,根据结果发现其同样符合裂隙角度增大,峰值强度也随之增大的规律,且试样破坏后剪切裂纹与张拉裂纹数量比近似为2:1,张拉裂纹主要集中分布于泥岩软层部分。该破坏属于剪切裂纹为主,张拉裂纹为次要的I-II复合型裂纹的破坏模式。结合工程实际,考虑含岩层倾角条件的复杂裂隙系统,重点探究裂纹贯通泥岩部分的模式,发现裂纹贯通路径整体近似呈“阶梯状”。
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