静载及动载作用下层状千枚岩断裂性能研究

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层状岩石是地下工程常见的一种复杂介质,由于受层理结构以及岩层内构造裂隙所引起的非连续性,在静载及动载作用下,极易诱发巷道、隧道及硐室围岩失稳破裂,为地下工程结构的构筑和安全使用带来极大的挑战。本文针对层状岩石在静载及动载作用下的断裂力学特性进行研究,主要内容如下:(1)针对层状千枚岩,制作了含有0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°共7种不同层理倾角的中心直切槽半圆盘(NSCB)试样,基于静态三点弯曲试验,分析了静载作用下层状岩石的静态断裂力学特性,包括层状岩石静态加载断裂破坏的载荷-位移曲线分析、断裂韧度分析、断裂能分析及断裂过程声发射分析。(2)在静态加载下,基于有限元ABAQUS软件,建立了NSCB应力强度因子分析计算模型,分析了相对裂纹长度(a/R)及简跨比(S/R)的变化对应力强度因子的影响。结果表明应力强度因子随相对裂纹长度的的增大呈指数型增长,随简跨比的增大呈线性增长。并利用ABAQUS软件,基于全局插入零厚度黏结单元的方法,建立了静载作用下层状千枚岩的数值分析模型,分析了不同层理倾角、层理强度、层理间距及切缝倾角对层状岩石的断裂破坏模式及裂纹扩展路径的影响。(3)基于霍普金森压杆(SHPB)动态三点弯曲试验,结合高速摄影技术,分析了层状千枚岩的动态断裂韧度、动态断裂能量(试样吸收能、转动动能及动态断裂能)的加载率及层理效应,并与静态断裂韧度及静态断裂能进行了对比分析,并对层状千枚岩的动态断裂破坏模式及裂纹扩展路径与静态断裂破坏模式及裂纹扩展路径进行了对比分析,结果表明静载及动载作用下断裂破坏模式及裂纹扩展路径差异较大。图49幅,表15个,参考文献100篇。
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