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《河北工程大学》 2017年
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单轴条件下节理岩体局部失稳与破坏特征研究

张浩  
【摘要】:节理岩体作为一种复杂岩体,在岩土工程与环境工程中以断层、节理与裂隙等不同的结构面形式频繁出现,这给我国许多的岩土工程项目的安全实施及维护带来很大困扰。而裂隙岩体由于经历了各种地质构造运动,因而裂隙岩体所处的地质环境与应力环境是十分复杂的。裂隙作为一种原始损伤,而且在岩体中呈现的形式具有随机性,会大大降低含裂隙岩体的强度,改变岩体的原有特性。近些年来,对于研究节理裂隙岩体在外载荷作用下,裂隙的扩展规律与多裂隙之间的连接、贯通模式博得了学者的关注与热衷。通过阅读相关文献了解到:含节理裂隙岩体的宏观破坏与失稳的根源是其内部的不连续面的张开、闭合、扩展和贯通所导致的(即局部失稳与破坏引起宏观失稳与破坏);在外载荷一定的情况下,节理裂隙岩体内节理、裂隙的扩展与贯通模式与其所处的状态(节理裂隙的长度、数量、倾角等)有着密不可分的联系。虽然前人对不同裂隙倾角岩体及裂隙长度等因素研究了很多,但对于含裂隙的大尺寸方形试样在外载荷条件下,岩体内部失稳与整体破坏特性室内试验研究不是很多。本文结合前人所研究的内容与成果,做了如下几方面内容:1、通过查阅相关文献与书籍,本文选择从不同裂隙倾角、数量的变量因素来进行室内试验研究,研究内容包括含不同裂隙倾角岩体在单轴条件下局部失稳及整体破坏特征,前者有做过标准试样(50mm×100mm)的节理岩体70mm×70mm×140mm及70mm×90mm×150mm尺寸的试样。本文采用尺寸为150mm×150mm×300mm的试样来进行模拟研究,其中裂隙深度比d/T为1,裂隙长度为50mm,多裂隙试样中选择平行裂隙,裂隙之间间距设为50mm。2、选择合适的相似材料模拟岩体及制作试样的模具与预制裂隙片,并按照设计方案将试样制作完成并进行养护处理。之后将试样进行编号,开始室内试验,对不同情况的试样进行单轴压缩试验,将各个试样的应力应变曲线进行对比分析,并用高像素相机对试验过程中裂隙的萌生、扩展路径与试样破坏特征进行拍摄,为后续分析、总结提供依据。在压缩过程中采用美国声发射PCI-2系统,保证了试验的可靠性。3、通过使用RFPA2D数值模拟软件对各种试样方案进行数值模拟,观测模拟含裂隙试样裂纹的萌生、扩展规律、贯通模式及试样的破坏特征,并与试验结果进行对比分析。经过完成以上的工作内容,试验与模拟对比分析了含裂隙岩体局部失稳与破坏特征,总结出了一些简单的裂纹扩展、贯通模式的规律,为后者继续研究提供一些参考价值及工程实践中指导意义。
【关键词】:节理岩体 单轴压缩 裂隙扩展 破坏特征
【学位授予单位】:河北工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU457
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-11
  • 第1章 绪论11-19
  • 1.1 研究意义11
  • 1.2 节理裂隙研究现状11-13
  • 1.3 数值模拟应用与现状13
  • 1.4 断裂力学基本理论13-17
  • 1.5 研究内容、思路与创新点17-19
  • 1.5.1 研究思路17-18
  • 1.5.2 研究内容18-19
  • 第2章 节理裂隙试样制作及实验设计19-27
  • 2.1 相似材料19-21
  • 2.1.1 相似材料选取原则及方法19
  • 2.1.2 相似材料的选取19-20
  • 2.1.3 相似材料制备20-21
  • 2.2 试样制作工艺21-22
  • 2.2.1 主要实验所需仪器21
  • 2.2.2 试样制作流程21-22
  • 2.3 实验材料力学性能测试22-25
  • 2.3.1 单轴压缩实验23-24
  • 2.3.2 巴西劈裂实验24
  • 2.3.3 内聚力和内摩擦角的确定24-25
  • 2.4 节理裂隙试样裂纹扩展实验设计25-26
  • 2.5 本章小结26-27
  • 第3章 试验结果及理论分析27-65
  • 3.1 引言27-28
  • 3.2 完整试样破坏全过程分析28-37
  • 3.2.1 完整试样测点应变处理分析32-37
  • 3.3 不同预制裂隙试样单轴压缩试验研究37
  • 3.3.1 预置裂隙试验方案37
  • 3.4 含不同情形裂隙试样单轴试验结果分析37-61
  • 3.4.1 表面裂隙扩展模式及其断裂机理分析38-40
  • 3.4.2 裂隙倾角为 0°的单一裂隙40-44
  • 3.4.3 裂隙倾角为 30°的单一裂隙44-47
  • 3.4.4 裂隙倾角为 45°的单一裂隙47-50
  • 3.4.5 裂隙倾角为 60°的单一裂隙50-52
  • 3.4.6 裂隙倾角为 90°的单一裂隙52-54
  • 3.4.7 裂隙倾角为 45°的双裂隙54-57
  • 3.4.8 裂隙倾角为 45°的三裂隙57-59
  • 3.4.9 声发射监测结果分析59-61
  • 3.5 本章小结61-65
  • 第4章 单轴压缩试验数值模拟分析研究65-93
  • 4.1 引言65
  • 4.2 RFPA软件介绍65-67
  • 4.2.1 RFPA程序流程65-66
  • 4.2.2 RFPA软件一些新功能的简单介绍66-67
  • 4.2.3 模型的建立67
  • 4.3 数值模拟计算与结果分析67-91
  • 4.3.1 0°单裂隙试样数值模拟结果分析67-72
  • 4.3.2 30°单裂隙试样数值模拟结果分析72-75
  • 4.3.3 45°单裂隙试样数值模拟结果分析75-78
  • 4.3.4 60°单裂隙试样数值模拟结果分析78-81
  • 4.3.5 90°裂隙试样数值模拟结果分析81-84
  • 4.3.6 45°双裂隙试样数值模拟结果分析84-87
  • 4.3.7 45°三裂隙试样数值模拟结果分析87-91
  • 4.4 本章小结91-93
  • 第5章 主要结论与展望93-95
  • 5.1 主要结论93-94
  • 5.2 创新点94
  • 5.3 展望94-95
  • 致谢95-96
  • 参考文献96-99
  • 作者简介99-100
  • 攻读硕士期间发表的论文和科研成果100-101

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