加载速率影响的含裂隙类岩石材料破断试验与数值模拟

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为了探索加载速率对裂隙岩体强度规律、变形特征及能量演化的影响,分析加载速率与裂隙倾角复合因素影响下裂隙岩体破断响应规律及能量演化机理,本文以预埋铝合金薄片方法于室内制备含不同倾角裂隙类岩石试件,基于RMT–150B对其进行0.1kN/s、0.2kN/s、0.5kN/s、1.0 kN/s四级加载速率下的单轴压缩试验,为弥补室内试验测试技术在反映裂隙体微观形态上的不足,运用PFC2D数值计算平台,基于平直节理接触单元构建裂隙体数值分析模型,设定与室内试验测试环境相同的边界条件,对比完整试件变形破坏特征数据,标定数值模型细观力学参数。本文主要研究结果表明:(1)在静态加载条件下,类岩石试件峰值强度对应应变量与加载速率表现出负相关性,相同裂隙倾角下,裂隙试样峰值强度随加载速率的增加呈现出非线性增大的规律,但其增大速率逐渐减小。(2)相同加载速率下,裂隙类岩石试件峰值强度随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势,其中15°倾角裂隙体试件峰值强度最小,当倾角为75°和90°时裂隙体峰值强度接近于完整试件强度,表明大倾角裂隙对类岩石试件的损伤劣化作用较弱,特别是90°倾角裂隙体试件,加载速率和裂隙倾角对其峰值强度的影响规律与完整试件几乎相同。(3)裂隙体弹性模量同时受裂隙倾角和加载速率的影响,并随裂隙倾角的增大而近似线性增大,随加载速率的增加而非线性增大,并趋近于一个常数。(4)数值模拟试验过程中的裂隙尖端应力响应规律表明:相同加载速率下,应力–应变关系曲线跌落前,15°倾角裂隙尖端应力大于其他倾角裂隙尖端应力;裂隙尖端法向应力和切向应力随裂隙倾角增大而呈现不同的变化规律:法向应力减小而切向应力增大。(5)峰值强度处,裂隙体储存弹性应变能的能力随加载速率的增加而增强,而耗散应变能则随加载速率的增加而减弱。峰值后裂隙体弹性应变能仍有积聚,但积聚弹性应变能的能力随加载速率增大而减弱。(6)裂隙体耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而急剧增加;加载速率对裂隙体损伤程度有所不同,其对应损伤因子随加载速率增大而减小。加载速率影响的裂隙体损伤因子变化规律与能量演化进程规律相一致,表明裂隙体内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。
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