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岩土力学 2024年第S1期 751-760页

作者：李博刘蓉蓉邹良超绍兴文理学院岩石力学与地质灾害浙江省重点实验室同济大学地下建筑与工程系瑞典皇家理工学院可持续发展与环境工程系

工程中广泛使用的水泥浆液是一种非牛顿流体，在裂隙内扩散时表现出复杂的宏观非线性渗流特征，在细观流场上也因屈服应力的作用呈现出柱塞流等特殊流动现象。配制符合Herschel-Bulkley(H-B)模型的模拟浆液，利用粒子图像测速（particle... 详细信息

工程中广泛使用的水泥浆液是一种非牛顿流体，在裂隙内扩散时表现出复杂的宏观非线性渗流特征，在细观流场上也因屈服应力的作用呈现出柱塞流等特殊流动现象。配制符合Herschel-Bulkley(H-B)模型的模拟浆液，利用粒子图像测速（particle image velocity,PIV）技术开展平直裂隙内的可视化渗流试验，同时求解H-B-P(H-B-Papanastasiou)方程开展浆液渗流有限元数值模拟。基于平直裂隙中单相屈服幂律流体渗流解析解，从理论、试验、模拟相结合的角度分析了平直裂隙内注浆压力与流速的非线性关系；通过对流速剖面图的对比，分析了H-B流体的柱塞流特征；通过与Bingham模型的对比证明了H-B流体更符合实际浆液流动规律。通过原创的可视化测试手段验证了理论和数值模型，提出了参数取值依据，对提升复杂工程岩体中的注浆工艺具有参考价值。

关键词：注浆 Herschel-Bulkley流体平直裂隙 PIV 柱塞流

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单轴压缩条件下裂隙砂岩的力学特性及裂纹扩展特征研究

单轴压缩条件下裂隙砂岩的力学特性及裂纹扩展特征研究

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作者：刘阳绍兴文理学院

学位级别：硕士

岩体是具有非均质性、不连续性及各向异性的地质体。经过复杂的地质构造作用,其内部会产生许多不同的缺陷,而最普遍的缺陷形式就是裂隙。裂隙岩体的力学特性和裂纹扩展研究对岩体稳定性至关重要。对此,许多专家和学者都针对裂隙岩体开... 详细信息

岩体是具有非均质性、不连续性及各向异性的地质体。经过复杂的地质构造作用,其内部会产生许多不同的缺陷,而最普遍的缺陷形式就是裂隙。裂隙岩体的力学特性和裂纹扩展研究对岩体稳定性至关重要。对此,许多专家和学者都针对裂隙岩体开展了研究,但绝大多数都是关于平直裂隙和类岩石材料的研究,而对有起伏波动的S型裂隙和岩石材料的研究则相对缺乏。有关S型裂隙岩体的研究对于揭示岩体破坏的发展过程具有重要影响,开展以S型裂隙岩体为对象的力学特性及裂纹扩展特征研究是非常必要的,具有重要的理论与实践意义。本文以预制平直裂隙红砂岩和预制S型裂隙红砂岩为研究对象,基于3D-DIC（3D Digital Image Correlation）技术和声发射技术监测预制裂隙红砂岩试样的单轴压缩试验全过程。同时将室内试验与数值模拟相结合,采用离散元软件PFC（Particle Flow Code 3D）进行数值模拟,从宏观和细观两个层面深入研究了单轴压缩条件下预制平直裂隙和预制S型裂隙砂岩的力学特性及裂纹扩展特征。研究结论如下:（1）单条平直裂隙、双条平直裂隙及单条S型裂隙砂岩试样的峰值强度、峰值应变及弹性模量基本随裂隙角度的增加而增大。双条S型裂隙砂岩试样的峰值强度、峰值应变及弹性模量总体上也与裂隙角度呈正相关,但是当裂隙角度为45°时,其弹性模量出现了明显减小的迹象。（2）无论是完整砂岩试样还是预制裂隙砂岩试样,它们的应力-应变曲线变化均与其对应的振铃计数和累计振铃计数的曲线变化具有高度的吻合性。当试样表面出现明显的新生宏观裂纹的时候,应力曲线会急剧下降,而与此对应的振铃计数和累计振铃计数则急剧增加;振铃计数突变的时间点正好与应力突变的时间点相同。（3）对于完整砂岩试样而言,其破坏模式属于拉剪混合破坏。对于单条平直裂隙砂岩试样而言,随着裂隙角度的不断增加,其破坏模式呈现拉伸破坏—拉剪混合破坏的变化趋势。对于双条平直裂隙砂岩试样而言,随着裂隙角度的不断增加,其破坏模式呈现拉伸破坏—剪切破坏—拉剪混合破坏的变化趋势。对于单条S型裂隙砂岩试样而言,裂隙角度为0°和45°时其破坏模式属于拉伸破坏;裂隙角度为30°、60°和90°时其破坏模式是拉剪混合破坏。对于双条S型裂隙砂岩试样而言,0°、30°和45°时,其破坏模式属于拉伸破坏;裂隙角度为60°和90°时,其破坏模式属于拉剪混合破坏。（4）裂隙角度为0°和60°～90°时,单条平直裂隙红砂岩试样和双条平直裂隙红砂岩试样的破坏模式、裂纹种类及萌发位置基本相同;裂隙角度为30°～45°时,两者的破坏模式、裂纹种类及萌发位置有较大差异。裂隙角度为0°～45°时,单条S型裂隙红砂岩试样和双条S型裂隙红砂岩试样的破坏模式、裂纹种类及萌发位置基本相同;裂隙角度为60°～90°时,两者的破坏模式、裂纹种类及萌发位置有较大差异。裂隙角度为0°～30°时,单条平直裂隙红砂岩试样和单条S型裂隙红砂岩试样的破坏模式、裂纹种类及萌发位置基本相同;裂隙角度为45°～90°时,两者在破坏模式、裂纹种类及萌发位置上均存在较大差距。裂隙角度为0°～30°和60°～90°时,单条平直裂隙红砂岩试样和单条S型裂隙红砂岩试样的破坏模式、裂纹种类及萌发位置基本相同;裂隙角度为45°时,两者在破坏模式、裂纹种类及萌发位置上均存在较大差异。（5）数值模拟结果表明试样模型内部的微裂纹最早都是从预制裂隙尖端及其周围萌生的,然后随着单轴压缩过程的进行,模型内部其他地方均逐渐出现微裂纹。对于预制裂隙红砂岩试样而言,其单轴压缩模拟过程中峰值强度过后产生的微裂纹数量远多于峰值强度之前产生的微裂纹数量,并且每当应力-应变曲线出现应力跌落的现象时,微裂纹数量就会急剧增加。

关键词：裂隙砂岩平直裂隙 S型裂隙 3D DIC 裂纹扩展颗粒流

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