含走向非一致结构面花岗岩单轴压缩力学特性及破坏模式研究

作     者：袁万里 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶四桥

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：走向非一致 花岗岩 力学特性 破坏模式 

摘      要：针对岩土工程中岩石走向非一致结构面普遍存在的问题,本文依托国家自然科学基金青年基金项目“含走向非一致结构面岩体真三轴卸荷力学响应及破坏模式研究,编号42202322;选取花岗岩作为研究对象,通过室内单轴压缩试验与颗粒流软件PFC3D相结合的方法,设置了三个关键参数:结构面差异角γ、结构面倾角α、以及岩桥长度L,通过控制变量法研究了含走向非一致结构面花岗岩的力学特性与破坏模式。主要结论如下: （1）花岗岩应力-应变曲线在达到峰值应力后迅速跌落,其单轴压缩强度与抗拉强度之比为49.665,而通常岩石的压拉比在10到30之间,这体现了花岗岩极高的耐久性、稳定性、脆性破坏特性。 （2）不同γ、不同α、不同L对走向非一致结构面花岗岩试样的抗压强度、弹性模量和变形模量均有显著影响。当γ从0°增加到60°的过程中,抗压强度、弹性模量随γ增大而增大。不同α的走向非一致结构面花岗岩的单轴抗压强度随α增大而增大,在不同L下,单轴抗压强度随岩桥长度变化大约呈“M型。 （3）在室内试验过程中,不同参数条件下的走向非一致结构面花岗岩试样的裂纹扩展均包括裂纹萌生等四个阶段。首先在上部裂隙尖端处萌生微裂纹并向试样上端部扩展,岩桥区域则形成连接上下部裂隙内尖端的剪切微裂纹,随着压力施加,裂纹与相近的裂隙尖端连接、贯通形成较大的裂隙,最终导致试样发生剪切破坏。部分试样在加载初期还伴随着起裂剥落现象,这是由于岩石的各向异性,当压力施加在试样的弱方向时,容易在这些部位产生起裂和剥落。 （4）基于室内试验得到的宏观力学参数,通过试错法得到与室内试验相匹配的微观参数,构建了裂隙岩体的PFC3D数值模型。PFC3D数值模拟试验与室内试验在峰值强度和弹性模量上基本一致,进一步验证了模型的准确性。研究发现,结构面厚度的选择对裂纹岩体的力学性能起决定性作用,最终确定以平均颗粒直径2.6mm作为最佳结构面厚度进行试验。对试验结果进行分析后发现:结构面差异角γ和结构面倾角α对PFC3D数值模型的单轴压缩强度影响明显,而岩桥长度L对数值模型的单轴压缩强度影响很小,仅在L=10mm、40mm时与室内试验结果吻合。 （5）PFC3D数值模拟试验中的裂纹扩展与破坏模式基本与室内单轴试验相同:裂纹普遍先萌生于岩桥区域和初始裂隙附近,之后裂纹逐渐向试样的上下端面扩展,随着加载的持续,裂隙尖端出现众多新裂纹,这些裂纹随后向岩桥区域扩展并最终连通,导致试样内的微裂纹数量显著增加,导致试样发生剪切破坏。 （6）通过岩石试样的能量演化图及能量转化关系图,可以了解到岩石从弹性变形到塑性变形乃至最终破裂的能量转换和释放过程中:不同γ、不同α、不同L的走向非一致结构面花岗岩试样的能量演化规律整体相同,耗散能率和耗散能系数都表现为增大——减小——增大的趋势;弹性应变能演化曲线与对应的应力-应变曲线走势基本相同,体现出试样能量积累与弹性变形的一致性,在实际工程应用中可根据弹性应变能与总能量的关系,预测不同阶段岩石受压破坏可能性,尤其是在岩土工程和地质灾害评估中。