基于PFC的CNL和CNS边界条件下岩石变形破坏过程及规律研究

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岩土工程中存在大量地质结构复杂、稳定性问题突出的深部岩体,而深部岩体工程灾害防控的关键技术一直是岩土工程领域的热点问题。恒法向应力(CNL)边界条件仅适用于浅层岩体工程,而深部岩体工程在开挖过程中属于恒法向刚度(CNS)边界条件。目前,岩石常规三轴试验机一般都是CNL边界条件,对CNS边界条件的研究多集中于剪切试验。本文在已有的砂岩、大理岩和花岗岩的物理力学性质和矿物细观参数的基础上,利用PFC建立常规三轴试验数值模型,对不同强度岩石在恒应力和恒刚度边界条件下的破坏变形、强度特征、裂纹扩展及能量演化等规律展开研究,对比两者的差异。主要工作以及取得的研究成果如下:(1)CNL和CNS边界条件下岩石常规三轴试验的偏应力–应变曲线结果对照表明,岩石试件在压密闭合阶段和起裂稳定阶段特征差异很小;在达到峰值强度之前岩样的偏应力–应变曲线基本呈直线发展,在快到达峰值强度时才开始出现偏差,达到残余强度时不同边界条件下曲线的差异最明显。达到峰值强度后,岩石应力有明显的降低段。从整个岩石加载过程来看,CNS边界条件下横向应力明显增长的点与峰值点两者对应的应变一致。(2)岩石试件的峰值强度和残余强度随着围压的增大而明显增大。在CNS边界条件下,岩样的侧向应变受初始围压和刚度的约束作用,岩样的体积扩容效应随之减小,在一定程度上阻碍了岩石侧向位移的产生,有效抑制了岩石的侧向破坏,因此围压和刚度对岩石承载能力的影响很大,其中对低围压和强度较低的岩石产生的影响最为显著。(3)在CNS边界条件下,刚度的增大使岩石试件膨胀受到约束,存在围压增强效应,刚度大于5 GPa/m时此现象较为明显。峰后脆性指数B可以很好地描述岩石峰后力学特性,CNL比CNS边界条件下的峰后脆性程度大;不同的岩石强度对围压和刚度的敏感度也存在差异,砂岩对刚度的敏感度更高。(4)在整个加载破坏过程中,张拉裂纹数量占比总是远大于剪切裂纹数量占比,试样的破坏主要是张拉破坏。CNS边界条件下,裂纹数量曲线在峰值前基本重合,在峰后才开始出现分异。边界能在压密闭合阶段全部转化为应变能;起裂稳定阶段有少量能量耗散;裂隙失稳扩展阶段,耗散能扩散增速,应变能释放;峰后破坏阶段,应变能快速释放,耗散能比例逐渐增大。(5)低围压和低刚度对应较高的峰后脆性程度,高围压和高刚度对应较低的峰后脆性程度。锚固过程中承载力的提高受锚固刚度、围岩刚度和深部地应力条件共同作用的影响。这个结果说明可以通过调整围压和刚度之间的相对关系来调整岩石的峰后脆性程度,结合兰渝铁路两水隧道可知,CNS边界条件下由于支护刚度导致的围压增强效应对巷道稳定性有显著影响。
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