【摘 要】
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岩土工程中大量存在混凝土-岩石组合体,如隧道围岩衬砌,矿井顶板支护,地下人工仓储设施等等。界面效应是岩石类组合体的特有性质。研究表明,增大界面粗糙度可以提高组合体的抗剪能力。但目前少有学者分析界面粗糙度对组合体压缩力学性能的影响。现有描述组合体静力压缩应力-应变关系的模型无法定量反映组合体和单体之间压缩力学性能的关系,不能很好地体现组合体的二元特征。本文以北山花岗岩作为代表性岩石,制成不同界面粗糙
【基金项目】
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国家自然科学基金《冻融循环对岩石类材料动态力学性能影响研究》(41772277); 国家自然科学基金重大项目“川藏铁路重大灾害风险识别与预测”(41941019);
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岩土工程中大量存在混凝土-岩石组合体,如隧道围岩衬砌,矿井顶板支护,地下人工仓储设施等等。界面效应是岩石类组合体的特有性质。研究表明,增大界面粗糙度可以提高组合体的抗剪能力。但目前少有学者分析界面粗糙度对组合体压缩力学性能的影响。现有描述组合体静力压缩应力-应变关系的模型无法定量反映组合体和单体之间压缩力学性能的关系,不能很好地体现组合体的二元特征。本文以北山花岗岩作为代表性岩石,制成不同界面粗糙度的混凝土-花岗岩组合体试件。开展混凝土、花岗岩单体和混凝土-花岗岩组合体的静力压缩试验,重点分析界面粗糙度对混凝土-花岗岩组合体宏观力学参数的影响,并结合数值手段揭示混凝土-花岗岩组合体的裂纹演化规律;在此基础上,基于有效介质理论,提出组合体和单体弹性模量之间的控制方程,并构建混凝土-花岗岩组合体的峰前裂纹演化模型;将模型进一步应用于以煤岩组合体为代表的广义二元岩石类组合体的静力压缩变形,并以单轴条件下煤岩组合体的变形特征为例,讨论本模型弹性力学参数的变化规律,分析模型的工程应用价值。主要研究成果如下:(1)混凝土-花岗岩组合体的峰值应力与弹性模量随界面粗糙度的增大而增大。组合体的峰值应力与弹性模量对围压的敏感性远大于界面粗糙度,且界面粗糙度的作用效果随围压增大而减弱;界面粗糙度的本质是在试件受压过程中会增加混凝土与花岗岩之间的约束力,但其作用力与作用范围远小于围压。(2)混凝土-花岗岩组合体的轴向应力-应变曲线具有明显的阶段性特征;轴向裂纹应变法较体积裂纹应变法确定的裂纹损伤应力阈值误差很小,最大相对误差约为8.2%。当荷载达到轴向裂纹应变法确定的裂纹损伤应力时,试件内已存在初始裂纹;基于有效介质理论,提出的组合体峰前裂纹演化模型参数均可从试验曲线获得,计算简单方便。通过试验数据的验证,充分展示模型的合理性和有效性。(3)峰前裂纹演化模型通过弹性模量的非线性解耦方式,将单元体界面效应的微观机理映射为组合体的宏观弹性模量;通过已发表文献数据验证,该模型能描述各种构成类型的煤岩组合体的峰前变形特征,展现出模型的普适性特点;以单轴条件下的煤岩组合体为例,分析模型弹性参数的变化规律,有望在岩土工程中得到更广泛的应用。
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