三维非贯通（充填）节理岩体的力学特性和破坏模式研究

作     者：王琛 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李勇

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：三维非贯通节理 单轴压缩 力学特性 破坏模式 CT三维重构 PFC3D 

摘      要：工程实践表明,岩体工程施工后,围岩内部微裂纹及节理等初始损伤在开挖引起的应力重分布及外部因素等的共同作用下扩展、贯通,并最终诱发岩体损伤累积和宏观破坏,其是引发岩体工程安全及稳定性问题的重要因素。因此,开展节理岩体力学性质及破坏模式等的探究对进一步认识岩体性质、保证岩体工程施工和运营期的安全和稳定具有重要意义。目前对节理岩体的研究主要集中在二维、三维表面和内置节理岩体上,缺乏对以三维非贯通(充填)节理形式广泛存在于实际工程中的节理岩体的研究。因此,针对三维非贯通(充填)节理岩体力学性质和稳定性这一关键科学问题,依托国家自然科学基金(51879149)和国家重点研发计划课题(2021YFC2902103),本文采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,通过单轴压缩和CT扫描试验并结合三维重构技术和数值分析程序,对单轴压缩条件下三维非贯通(充填)节理岩体的力学特性和破坏模式开展了广泛和深入的研究。本文主要研究内容、开展的工作及相关成果如下:(1)采用类岩石材料在实验室条件下制备了三维非贯通(充填)节理类岩石试件,通过室内试验确定了完整类岩石试件的力学性质,并利用CT扫描试验和三维重构技术分析了完整类岩石试件的孔隙特征。结果表明,实验室条件下制备的类岩石试件具有与砂岩相似的宏观力学参数,同时在孔隙分布上表现出与致密砂岩相近的分布特征。(2)开展了三维非贯通(充填)节理岩体的单轴压缩试验,研究了三维非贯通节理几何参数(包括节理倾角、节理贯通度和节理宽度等)和节理充填物(包括充填物存在与否及其性质)对类岩石试件力学特性(包括试件的峰值应力和弹性模量及其峰后特性等)的影响。基于单轴压缩试验获取的类岩石试件表面裂纹及破坏特征,分析了节理几何参数(包括节理倾角和贯通度)对试件破坏模式的影响,总结出节理倾角影响下节理试件的五种破坏模式。(3)以含闭合节理的岩体单元为基础,引入Jennings准则和节理岩体的实际条件,推导并建立了轴向压缩荷载作用下三维张开型非贯通节理岩体的强度公式。通过与类岩石试件单轴抗压强度试验值的对比,验证了三维张开型非贯通节理岩体强度公式的准确性,同时发现强度公式的准确性随节理宽度的增加而降低,这与岩体初始损伤的增加和岩桥的弱化作用相关。(4)对三维非贯通(充填)节理类岩石试件进行了 CT扫描试验以获取CT切片,基于切片并结合Avizo对试件进行三维重构,得到了类岩石试件内部裂纹及破坏面的三维形态;利用三维分形维数和裂纹体积及表面积等裂纹结构参数对节理试件内部裂纹进行了定量表征并结合试件内部裂纹及破坏面的三维形态对其进行了定性分析,得出节理倾角的增加会导致三维裂纹形态由竖向“井筒型劈裂转变为沿节理面的滑移破坏和节理贯通度的增加会致使三维裂纹形态由“褶皱型转变为“平滑舒展型的初步结论,进而从三维空间的角度探究了节理倾角及贯通度对试件破坏模式的影响。(5)利用基于离散元法的三维颗粒流程序(PFC3D)建立了与实际试件具有相似宏观力学参数和破坏特征的数值模型,研究了节理几何参数对试件起裂应力系数和三维非贯通节理面破坏过程的影响,并从颗粒位移的角度对充填物影响试件破坏模式的细观机理进行了探究,结果表明,类岩石试件的起裂应力系数随节理倾角和贯通度的增加均呈现减小的趋势,同时节理充填物通过限制类岩石试件颗粒的运动进而影响充填节理试件的破坏模式。