浅谈岩体三维裂隙拉伸断裂机理的试验与数值模拟研究

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1、山东大学硕士学位论文岩体三维裂隙拉伸断裂机理的试验与数值模拟研究姓名：杨磊申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：李术才20080518山东大学硕士学位论文摘要裂隙岩体是各种岩体工程和环境工程中经常遇到的一种复杂工程介质。在承受工程荷载时，岩体中大量的裂隙开始萌生、扩展和贯通，导致岩体介质力学性能的劣化以致最终破坏。因此，岩体中原生裂隙的扩展演化特征、破裂模式以及对岩体力学特性的影响一直为学术界和工程界所重视。鉴于三维问题在数学处理和现象观测上的复杂性，人们对裂隙问题的研究往往简化为二维情况来处理，但裂隙大都处于三维应力状态(表面裂隙或深埋裂隙)，把

2、三维裂隙简化为二维裂隙会引起较大差距。因此，近年来有关三维裂隙扩展演化机制及其对岩体材料力学特性影响的研究成为岩土工程重要研究课题。目前压缩条件下岩体中三维裂隙扩展演化机制的试验研究已有一些，但由于试验设备和技术方面的制约，拉伸条件下相应的成果很少。岩石材料具有低抗拉性，在较低拉伸应力作用下内部裂隙就开始扩展、贯通导致材料破坏。岩体工程中不可避免的要遇到拉应力区，因此开展拉伸条件下三维裂隙扩展演化机制以及对岩体力学特性影响的研究具有重要的理论意义和工程价值。物理试验方法和数值模拟方法是研究裂隙扩展问题的有效手段。本文结合这两种方法开展了以下研究工作：1

3、、通过阅读大量文献，分析比较了以往三维裂隙岩体断裂机理试验中所用各种材料的优缺点。结合本试验情况，研制了脆性砂浆材料，其物理力学参数与砂岩接近，代替真实岩石进行试验可表现出类似的受力变形特征，并且该材料方便埋设三维裂隙。2、由于岩石材料直接拉伸试验技术不成熟，故改进了目前采用较多的夹具法和黏结法，设计加工了适用于脆性材料单轴拉伸试验的端部扩大型试件模具、与试件形状配套的夹具以及黏结拉伸轴向定位装置。3、制作了含不同形式(不同角度、不同间距和不同数量)内置裂隙的试件，并对其进行了单轴拉伸试验，得到了各试件的应力应变曲线，观察分析了试件的受力变形过程，总结

4、了内置裂隙角度、间距及数量对材料力学特性以及裂隙扩展演化过程的影响。4、制作了含不同倾角表面裂隙的试件，并对其进行了单轴拉伸试验，得到山东大学硕士学位论文相应的应力应变曲线，观察分析了试件的受力变形过程，总结了表面裂隙倾角对材料力学特性以及裂隙扩展演化过程的影响。5、用FRANC3D软件计算了含不同形式(不同角度、不同间距和不同数量)内置裂隙和不同倾角表面裂隙的试件在单轴拉伸条件下，裂隙前缘应力应力强度因子分布，裂隙前缘应变能释放率分布，模拟了所含三维裂隙的扩展演化过程。6、结合物理试验和数值模拟的结果，得出若干有价值的结论，并对实际工程提出一些建议。

5、关键词：三维裂隙；单轴拉伸；裂隙扩展；力学特性；物理试验；数值模拟II山东大学硕士学位论文ABSTRACTFracturedrockmassisusuallymetinmostoftherockmassengineeringandenvironmentalengineering．Underdifferentkindsofloads，thecrackinitiation，propagation，coalescenceandinteractionmayinducethedegradationofmechanicalproperties，evendamage

6、oftherockmassmaterial．Therefore，thegrowthandevolvementfeatures，fracturepattern，andtheinfluenceonrockstrengthofflawsintherockmassarealwaysfocusedbytheresearchersofacademicandengineeringfields．Becauseofthedifficultiesofmathematicaltreatmentandphenomenaobservationon3一Dproblem．peopl

7、eusuallysimplifythe3-Dcrackproblemto2一Dsituation．Butmostcracksareunder3一Dstresscondition(internalcrackorsurfacecrack)，suchsimplificationwouldleadtoerror．So，thestudyofcrackpropagationmechanismandtheinfluenceonthematerialstrengthbecomeimportantresearchsubjectsinGeotechnicalEnginee

8、ring．Uptonow，therehavebeensomeexperimentalstudi