拉压应力状态下裂隙岩体力学行为研究

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地下工程岩体中的裂隙、地应力以及强烈的开挖卸荷对围岩稳定性造成影响,极易诱发拉压破坏灾害。以往的压缩、剪切、纯拉伸试验研究成果无法有效适用于地下工程强烈开挖卸荷下岩体表现出来的复杂张性破坏现象,亟待开展拉压组合应力作用下的裂隙岩体力学行为试验研究及建立相关强度准则。本文以国家自然科学基金和天津市自然科学基金项目为依托,通过单裂隙砂岩双轴拉压试验及数值模拟与理论分析,研究了不同裂隙倾角和不同应力路径下单裂隙砂岩的拉压力学行为及强度准则,主要内容与成果如下:(1)采用课题组研制的拉压装置开展单裂隙砂岩的双轴拉压试验,使用高速摄像机记录试样破坏过程,研究单裂隙砂岩在拉压应力条件下的峰值强度、变形特征及破裂模式。研究发现,随预制裂隙倾角增大,试样抗拉强度呈增大趋势,在裂隙倾角小于45°时倾角变化对抗拉强度影响较小;随着侧压应力增大抗拉强度减小,在裂隙倾角大于45°时侧压对抗拉强度影响较大;单裂隙砂岩的破坏模式可以总结为张拉型破坏、裂隙尖端单侧剪切破坏模式、裂隙尖端拉-剪破坏模式、试样边缘剪-拉破坏模式与尖端剪-拉-剪混合破坏模式。(2)采用PFC颗粒流数值模拟再现了试验结果,从微裂纹扩展、位移场及力链分布等细观角度分析了单裂隙砂岩的裂隙扩展机制,并进一步研究了在侧向拉应力作用下压缩时单裂隙试样的强度特征、峰值位移、微裂纹数量及破坏模式等的变化规律。研究发现,不同侧向拉应力状态下压应力-位移曲线可以分为单峰型与多峰型,多峰型多出现于较低拉应力条件下;单裂隙砂岩抗压强度随着裂隙倾角增大而增大,而与拉应力成负相关性;在较低拉应力时破坏主要为对角破坏,随着拉应力增大,更多地出现水平的拉伸裂纹。(3)基于断裂力学理论,建立了拉压应力下裂隙的起裂判据;根据应变能密度因子理论,计算得到岩样断裂角与预制裂隙的关系公式,发现侧压应力与裂隙倾角的增大使得断裂角增大;建立了适用于拉压应力状态下裂隙岩体强度准则,理论计算得出的抗拉强度与试验结果拟合度较高。
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