水力耦合作用下含三维裂隙类岩材料破裂力学行为研究

论文摘要

随着交通、水利水电、矿山等领域内大量地下工程建设的迅速推进,地下结构埋深不断增大,工程围岩所处的地质环境日趋复杂,通常受到高地应力和强渗透压的耦合作用。在地应力一地下水的耦合作用下,岩体中赋存的原生裂隙、空隙及断层等缺陷将不断扩展,并相互搭接贯通,引起岩体的变形破坏甚至失稳垮塌,继而导致恶劣的工程事故和灾害发生。开展水力耦合作用下含裂隙岩体变形破坏机制的研究对于地下工程设计与灾害防控具有十分重要的意义,因此受到学术界的广泛关注。以往关于岩体破坏的研究主要集中在含贯穿裂隙岩体的破裂模式和力学行为,取得了大量基础性研究成果,但这些研究忽略了天然裂隙的三维形态和分布信息,导致与实际情况存在一定的差异性。此外,以往关于含三维裂隙岩体破裂的研究大多只考虑了地应力作用,而针对水力耦合作用的相关研究较少。本文开展了水力耦合作用下含三维裂隙类岩材料破裂力学行为研究,基于水泥砂浆类岩石材料模拟真实岩体,采用室内试验、离散元数值模拟和声发射技术,调查了水力耦合条件下三维裂隙(组)的扩展和贯通模式及试件的最终破坏模式,分析了裂隙几何分布特征及加载条件对裂隙扩展贯通的影响,阐明了裂隙岩体破裂的空间演化规律。主要开展和完成的工作如下:1、开展了水力耦合作用下含三维单裂隙类岩石试件的破裂力学行为研究,获得了三维裂隙起裂扩展的基本模式及试件破坏形态特征。调查了不同水压下预制裂隙的扩展特征及试件的最终破裂模式,对比了无水条件与水力耦合条件试件破裂模式的异同,分析了水压对翼裂纹扩展的促进作用。获得了水压大小及裂隙倾角对试件破裂的影响规律,试件破裂模式随裂隙倾角增大逐渐由张拉为主向剪切为主转变,水压使得试件的张拉破裂模式增强。试件起裂应力、损伤应力和峰值强度均随裂隙倾角增大而增大,随裂隙水压升高而持续降低。2、开展了水力耦合作用下三维裂隙间相互作用及试件破裂力学行为研究。分别调查了 3MPa水压下含共面双裂隙与雁型双裂隙试件内预制裂隙的扩展、搭接情况及试件最终破裂模式,总结了不同情况下试件破裂模式的变化规律及裂隙相互作用影响。对于含共而双裂隙试件,裂隙倾角是影响试件破裂模式及裂隙间相互作用的主导因素。对于含雁型双裂隙试件,岩桥角对裂隙间相互作用及试件的破裂模式影响尤为显著。获得了不同的控制参数对试件峰值强度及特征应力的影响规律。3、开展了水力耦合作用下多裂隙间联合扩展及试件破裂力学行为研究。分别调衣了 3MPa水压下含复合型三裂隙试件与平行三裂隙试件内预制裂隙的搭接情况及试件最终破裂模式,总结了试件贯通及破裂模式的变化规律以及多裂隙间的诱导扩展作用。复合型三裂隙试件的破裂模式复杂多样,其中岩桥角β1为75°试件的破裂模式最为复杂,呈现出剪切、拉剪及张拉为主3种破裂模式。而含平行三裂隙试件的仅呈现出拉张拉破裂模式。之后,获得了试件力学特性随岩桥角β1与β2的变化趋势。4、借助声发射技术对试件破裂过程进行了追踪,基于声发射撞击数,发现裂隙起裂扩展过程呈阶段性特征,利用线性辅助法对特征应力如起裂应力、损伤应力进行了标定,对比了无水条件与水力耦合条件下含单裂隙试件破裂过程撞击率变化的异同。同时,研究了含双裂隙及多裂隙试件特征应力的变化趋势及特定岩桥角下多裂隙间联合扩展过程的撞击变化规律。基于声发射主频,发现了试件不同的破裂状态呈现不同的主频特征,根据相对低频信号与高频信号的占比变化,对试件的破裂状态进行了预测,并提出了水力耦合条件下试件破裂的预警信息。5、基于PFC数值分析软件中的平节理模型,并结合室内试验结果,模拟研究了水力耦合条件下含三维单、双、多裂隙试件在不同工况下裂隙起裂、扩展贯通及最终破裂的全过程,从细观角度分析了裂隙的起裂扩展机制及影响因素,进一步明确了水力耦合作用下三维裂隙的起裂扩展模式、裂隙间的相互作用以及试件的破裂演化规律。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 裂隙岩体破裂力学行为的试验研究
•     1.2.2 裂隙岩体破裂力学行为的数值模拟研究
•     1.2.3 裂隙岩体破裂力学行为的理论研究
•   1.3 主要研究内容
•   1.4 创新点
•   1.5 技术路线
• 第二章 水力耦合下含三维单裂隙类岩石试件的压缩破裂试验
•   2.1 试验材料与试件制备
•   2.2 试验装置与测试方法
•   2.3 声发射技术基本原理
•   2.4 水力耦合下含三维单裂隙类岩石试件的破裂模式
•     2.4.1 三维单裂隙的空间扩展演化模式
•     2.4.2 无水条件下的破裂模式
•     2.4.3 水-力作用下的破裂模式
•   2.5 水力耦合下含三维单裂隙类岩石试件的力学特性
•     2.5.1 起裂和损伤应力判定
•     2.5.2 试件的力学特性
•   2.6 试件破裂的声发射主频特征
•     2.6.1 声发射信号主频分析方法
•     2.6.2 声发射信号主频分布特征
•   2.7 文章小结
• 第三章 水力耦合下三维裂隙间相互作用及试件破裂力学行为
•   3.1 试验方案
•   3.2 水力耦合下含三维共面双裂隙试件的破裂模式及力学特性
•     3.2.1 含共面双裂隙试件的破裂模式
•     3.2.2 含共面双裂隙试件的力学特性
•   3.3 水力耦合下含三维雁型双裂隙试件的破裂模式及力学特性
•     3.3.1 含雁型双裂隙试件的破裂模式
•     3.3.2 含雁型双裂隙试件的力学特性
•   3.4 文章小结
• 第四章 水力耦合下多裂隙间联合扩展及试件破裂力学行为
•   4.1 裂隙空间布置
•   4.2 水力耦合下含复合型三裂隙试件的破裂试验研究
•     4.2.1 含复合型三裂隙试件的破裂模式
•     4.2.2 含复合型三裂隙试件的力学特性
•   4.3 水力耦合下含平行三裂隙试件的破裂试验研究
•     4.3.1 含平行三裂隙试件的破裂模式
•     4.3.2 含平行三裂隙试件的力学特性
•   4.4 文章小结
• 第五章 水力耦合下含三维裂隙试件的PFC数值模拟研究
•   5.1 引言
•   5.2 平行粘结模型与平节理模型
•   5.3 细观参数标定
•   5.4 数值模拟结果分析
•     5.4.1 水力耦合下含45°单裂隙试件的破裂演化过程
•     5.4.2 水力耦合下含45°双裂隙试件的破裂演化过程
•     5.4.3 水力耦合下含45°平行三裂隙试件的破裂演化过程
•   5.5 文章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭孔灵

导师: 杨磊

关键词: 水力耦合,裂隙扩展贯通,岩体破裂,声发射特征,离散元数值模拟

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 山东大学

分类号: TU45

总页数: 102

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