裂隙性与脆性岩石破裂能量转换特征研究

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四川西部地区地质构造复杂,相关地下工程中常遇宏观、细观裂隙发育岩石,裂隙结构面控制工程结构安全性与稳定性,对裂性岩石性质研究重要性不言而喻,裂隙性岩石内部由于其非均质性与非连续性,使用传统应力屈服准则与破坏判据,难以分析复杂的强度变化与整体破坏行为,能量法能够将岩石破坏过程中损伤过程通过耗散能形式展现出来,能量法主要研究与应用在于建立岩爆判据,但是将能量法用于裂隙性岩石破裂过程研究较少。为此本文主要采用类岩石材料预制裂隙性类岩石试样,研究裂隙发育密度、长度对岩石破裂机理及其能量转化过程的影响特征,由于室内试验难以控制多裂隙倾角,故使用PFC2D模拟补充室内试验关于裂隙倾角方面研究,最后采集工程中常见层理性砂岩试样,研究层理倾角与能量指标规律并与预制试样对比分析其能量特征差异,本文主要取得主要成果及结论如下:首先,使用PET膜模拟岩石内裂隙,准备4种裂隙长度,每1长度准备4种不同裂隙密度,制备含裂隙方形类岩石试样16个,不含裂隙试样1个,通过单轴压缩试验得到17个试样全应力应变曲线,对试样数据计算得到所有力学参数(包括峰值强度、弹性模量、残余强度),记录岩石最终破裂状态并描绘裂隙素描,通过对裂隙素描观察分析对比,试样主要以张拉破坏为主且试样破坏程度随裂隙密度提升而提升,为直观分析裂隙试样与不含裂隙试样之间差距计算出参数的降幅比,分别与裂隙密度和裂隙长度参数之间规律进行拟合,分析发现,在裂隙长度为1cm时,降幅比随着裂隙密度增大而逐渐增大,且符合线性规律。其次,对所有试样单轴压缩曲线使用能量耗散能理论进一步处理,计算能量指标并绘制能量演化曲线图,将能量演化曲线图结合破裂过程结合全应力应变曲线损伤特征,将能量演化曲线分为6个阶段:孔隙、裂隙压密阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、非稳定破裂发展阶段、加速破坏阶段、破坏后阶段。分别绘制所有试样峰值能量指标与裂隙长度、密度参数关系图,分析发现,在裂隙长度为1cm时,峰值能量密度随着裂隙密度增大而减小且符合线性规律,在裂隙密度为10%(cm-1)时,峰值能量密度随着裂隙长度增长而减小且符合线性规律。针对室内试验中预制裂隙无法控制裂隙优势倾角问题,使用PFC2D颗粒流程序对预制圆柱形标准试样参数标定进行数值模拟,裂隙密度与长度固定,裂隙布置方式相互平行布置,裂隙见间距固定,倾角范围在0~90°,以15°为分角取6种角度模拟,所有裂隙倾角值统一改变,通过能量追踪功能绘制能量演化曲线图,提取峰值能量与裂隙倾角绘制关系图,分析发现,峰值能量数值随裂隙倾角增大而增大,且符合线性规律。最后,为分析层理倾角对砂岩试样能量影响,并与预制试样对比能量演化差异,选取7个层理试样倾角,自定义层理倾角范围在0~90°,进行单轴压缩试验,计算力学参数(包括弹性模量与峰值强度),绘制力学参数与层理倾角关系图,结果表明,其规律表现为“U”型曲线,谷底对应层理倾角61°。对所有试样单轴压缩曲线使用能量耗散能理论进一步处理,计算能量指标并绘制能量演化曲线图,将能量演化曲线图结合破裂过程结合全应力应变曲线的损伤特征,将能量演化曲线同样分为6个阶段:孔隙裂隙压密阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、损伤突增阶段、非稳定破裂发展阶段、破坏阶段。其峰值能量与层理倾角规律拥有类似“U”型规律,将层理性砂岩与圆柱形预制试样能量演化曲线对比分析,结果表明,预制类岩石与砂岩能量特征在孔隙裂隙压密以后阶段区分明显,砂岩储能特性好于类岩石试样。
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