【摘 要】
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研究法向应力作用下岩石裂隙面的变形破坏,对于定量研究地球物理问题和土木工程相关的岩石裂隙渗流问题都具有重要意义。本研究将四组细砂岩单裂隙试块错动不同的横向距离,进行四次循环加卸载实验,并利用弹塑性接触模型模拟计算每一次的加载曲线。通过高精度、高分辨率的物理实验,验证了基于Boussinesq解对于岩石裂隙闭合分析中半空间弹塑性接触模型的有效性。对实验损伤破坏区域与数值模拟塑性区域进行对比研究,分析
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研究法向应力作用下岩石裂隙面的变形破坏,对于定量研究地球物理问题和土木工程相关的岩石裂隙渗流问题都具有重要意义。本研究将四组细砂岩单裂隙试块错动不同的横向距离,进行四次循环加卸载实验,并利用弹塑性接触模型模拟计算每一次的加载曲线。通过高精度、高分辨率的物理实验,验证了基于Boussinesq解对于岩石裂隙闭合分析中半空间弹塑性接触模型的有效性。对实验损伤破坏区域与数值模拟塑性区域进行对比研究,分析图像可知实验测量的破坏区域与数值模拟塑性变形区域基本一致,局部测得的实验破坏量比数值计算量要大。利用该弹塑性模型,对比分析了细砂岩、花岗岩、粗砂岩三类岩石在法向应力作用下裂隙受压闭合的应力-应变曲线和数值模拟结果。引入三维粗糙度(简称Z23D)和裂隙表面相关长度来表征岩石裂隙多尺度表面粗糙度和裂隙面之间的吻合程度。本研究对三类岩石裂隙受压闭合过程中的应力-位移曲线进行了多种公式拟合对比分析。拟合结果显示,经典的BB双曲线模型并不能很好地描述岩石裂隙受压闭合曲线,尤其是在应力水平较小阶段与数值模拟结果存在偏离。统一指数模型在经典BB模型基础上做了进一步发展,能够很好地与数值模拟结果吻合。拟合结果中的三个参数,即最大闭合量Vmax,初始刚度Kni和系数n,可以和裂隙平均开度,裂隙错动距离和相关长度等建立关系。本文还对裂隙法向刚度与法向应力之间的关系进行了分析,发现当岩石裂隙上下表面错动较大位移时,在应力值较高情况下法向刚度最终将会趋于一个稳定值。
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