动载下含孔洞岩石破坏机制的数值模拟研究

论文摘要

岩石是一种天然非均质的各向异性的材料,其中含有许多裂隙和孔洞缺陷。这些裂隙或孔洞等缺陷受力后会导致裂纹孕育、萌生、扩展、交汇贯通,最终导致岩石材料破坏。而在实际岩土工程中则会造成岩爆、滑坡、塌方等灾害。造成岩石材料破坏的主要因素是缺陷和裂纹不规则扩展的相互作用。缺陷不仅只有尖锐的裂隙,也有其它弱介质形态比如孔洞。然而现有的关于裂纹扩展问题的研究通常是裂纹尖端引起应力集中所导致的,不适用于非均质脆性材料中的裂纹扩展。因此,对于含有孔洞岩石试样破坏机制的研究是十分必要的,且具有一定工程意义。本文利用RFPA(Realistic Failure Process Analysis)3D数值试验分析系统,对动载下岩石圆环试样、单孔岩石试样、含多孔洞岩石试样的破坏行为进行了较为系统的数值模拟研究,主要分为以下几个方面:(1)研究岩石圆环试样内外径比值、冲击荷载加载速率对试样破坏模式的影响。研究结果表明,动态加载情况下,岩石圆环试样有三种破坏模式。一般情况下是对称的四扇形圆环破坏模式。当加载速率较大时,破坏模式会与静载劈裂试验类似,只有竖向的裂纹将试样分成左右两部分。当圆环内外径比值较大时,竖向的、横向的裂纹条数增多,裂纹形态整体呈类“井”字形状。(2)将动、静加载下岩石圆环试样破坏结果进行对比分析。结果表明,静态加载的情况下不同内外径比值的试样有不同的破坏模式。当内外径比值小于0.3时,试样破坏形态与静态加载下的圆盘劈裂试验类似。当内外径比值大于0.3时,裂纹整体形态与动载下破坏情况类似,裂纹将试样分成四部分。(3)研究孔洞半径对单孔岩石试样破坏的影响。结果表明,随着孔洞半径的减小,孔洞萌生的两条剪切裂纹夹角逐渐增大。当孔洞半径减小到一定值后,岩石的非均匀性将作为主导因素影响孔洞岩石的裂纹扩展模式。(4)研究冲击荷载加载速率及峰值对单孔岩石试样破坏的影响。研究结果表明,随着冲击荷载峰值的增大,孔洞周边的初始裂纹形态由类“一”型逐渐变为类“Y”型、类“X”型。冲击荷载的加载速率大时,层裂集中分布在试样右侧;随着加载速率减小,层裂裂纹数量减少,且向试样左侧偏移。当加载速率小于一定值时,试样仅有孔洞周围出现裂纹。此外,冲击荷载的峰值越大,声发射累计能量越多;冲击荷载的加载速率越大,最终声发射累计能量越少。(5)研究不同孔洞排列方式对含多孔洞岩石试样破坏的影响。研究结果表明,当相邻圆孔圆心间距不变,改变倾角情况下试样破坏形态主要可以分为三种:相邻圆孔仅通过A类裂纹连通;相邻圆孔通过A、B类裂纹连通;圆孔周边裂纹没有发生搭接。当α=90°,孔洞间距L对试样破坏的影响主要变现为L增大,孔洞间相互作用减弱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题研究背景和意义
•   1.2 静载下含孔洞岩石试样破坏的研究现状
•     1.2.1 单孔洞岩石试样研究现状
•     1.2.2 多孔洞岩石试样破坏研究现状
•   1.3 动载下含孔洞岩石试样破坏研究的现状
•   1.4 本文主要研究内容
• 2 RFPA3D数值试验分析系统介绍
•   2.1 非均匀性
•   2.2 动力有限元计算求解过程
•   2.3 岩石动力破坏本构模型
•   2.4 RFPA3D分析过程简介
• 3 冲击荷载作用下岩石圆环试样破坏过程研究
•   3.1 模型说明及参数选取
•   3.2 数值模拟验证
•   3.3 数值模拟结果分析
•     3.3.1 圆环内外径比值对破坏模式的影响
•     3.3.2 加载速率对试样破坏的影响
•   3.4 动静态加载结果对比
•   3.5 本章小结
• 4 冲击荷载作用下单孔岩石试样破坏过程研究
•   4.1 数值模拟模型说明
•   4.2 模型验证
•   4.3 孔洞周边应力分析
•   4.4 数值模拟结果分析
•     4.4.1 预制孔洞半径对岩石试样破坏的影响
•     4.4.2 冲击荷载峰值对岩石试样破坏的影响
•     4.4.3 冲击荷载加载速率对岩石试样破坏的影响
•   4.5 本章小结
• 5 多孔洞岩石试样冲击荷载下破坏过程研究
•   5.1 模型说明
•   5.2 不同孔洞排列方式破坏形态分析
•     5.2.1 不同倾角下三圆孔试样破坏形态
•     5.2.2 不同间距下三圆孔试样破坏形态
•   5.3 动静加载对比
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 沙润东

导师: 梁正召

关键词: 冲击荷载,孔洞试样,数值模拟,裂纹扩展,破坏模式

来源: 大连理工大学

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: 大连理工大学

分类号: TU45

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000396

总页数: 66

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