論文推薦|劉新榮等:含V型相交裂隙巖體的力學特性及破壞模式試驗

2021-01-09 全國能源信息平臺

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創新點

對含不同夾角V型相交裂隙巖體試件進行了單軸壓縮試驗，獲得了V型相交裂隙巖體試件的變形、強度和裂紋擴展規律。V型相交裂隙對試件有較大的初始損傷，相對於完整試件，相交裂隙試件峰值應力、彈性模量和峰值應變均明顯減小。峰值強度和彈性模量隨裂隙夾角的增加呈先增大後減小的變化趨勢；軸向峰值應變總體隨夾角的增大呈線性減小的趨勢。不同夾角的裂隙試件其破壞模式也有所不同。隨著裂隙夾角的逐漸增加，相交裂隙試件破壞模式的演化過程為：臺階式張拉-剪切複合破壞→張拉-八字形剪切複合破壞→臺階式平行雙斜面剪切破壞。當裂隙夾角為60°時，試件的裂紋演化和破壞模式體現出對加載方向近似的結構對稱性。

作 者

劉新榮1,2,3,尹志明1,2,王豔磊3

作者單位

1. 重慶大學 土木工程學院；2. 重慶大學 庫區環境地質災害防治國家地方聯合工程研究中心；3. 重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室

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研究背景

巖石在各種地質作用下形成了大量的節理、斷裂等斷續裂隙,這些已經存在的各種裂隙對工程巖體新的裂紋萌生、擴展、貫通及巖體的最終破壞失穩模式起著重要的誘導作用。為了保障各種節理裂隙巖體工程的穩定與安全性,裂隙巖體強度破壞和裂紋擴展特徵成為巖石力學研究中的重要科學問題之一。然而在實際工程環境中,往往會出現方向和特徵相似的一組或多組裂隙,因此研究多裂隙巖石的力學性質和破壞機理顯得尤為重要。

裂隙尖端容易導致應力集中,易形成新的裂隙,從而形成V型相交裂隙,V型相交裂隙在自然界中比較常見。然而以往的研究大多集中在含有平行、非平行裂隙或X型相交裂隙的巖體上,對V型相交裂隙巖體的力學性質和破壞模式的研究比較少。因此,為了更好地了解V型相交裂隙巖體試件的變形、強度和裂紋演化規律,對含不同夾角V型相交裂隙的砂質泥巖類巖石試件進行了常規單軸壓縮試驗。研究成果有助於提高對裂隙巖體力學性質和破壞模式的認識。

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摘 要

為深入了解V型相交裂隙巖體試件的力學特性和裂紋演化規律,採用MTS815電液伺服控制試驗機對含不同夾角V型相交裂隙巖體試件進行了常規單軸壓縮試驗,基於試驗結果,詳細分析了試件的應力-應變曲線、強度與變形特性、裂紋演化與破壞模式及能量耗散特徵。

研究結果表明:

①裂隙試件的應力-應變曲線進入裂紋萌生與擴展階段早於完整試件,在峰前出現了明顯的應力降現象,在峰後破壞階段,完整試件表現為應力-應變曲線的快速跌落,而裂隙試件呈現臺階狀多階段性跌落,甚至緩慢水平下降,體現出明顯的延性破壞特徵。

②裂隙試件的峰值應力、彈性模量和峰值應變均有明顯減小。峰值強度和彈性模量隨裂隙夾角的增加呈先增大後減小的變化趨勢。軸向峰值應變主要受裂隙夾角的影響,總體隨夾角的增大呈線性減小的趨勢。

③裂隙的存在能夠完全改變巖體試件的破壞模式,隨著裂隙夾角的逐漸增加,裂隙試件破壞模式的演化過程為:臺階式張拉-剪切複合破壞(30°)→張拉-八字形剪切複合破壞(60°)→臺階式平行雙斜面剪切破壞(90°)。當裂隙夾角為60°時,試件的裂紋演化和破壞模式體現出對加載方向近似的結構對稱性特徵。

④相交裂隙試件單軸壓縮破壞的彈性應變能、耗散能、總能量和能量耗散率均較完整試件有大幅度的減小。裂隙試件產生的裂紋數量越多,試件表面的脫落現象越明顯,耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪複合破壞比單純剪切破壞要消耗更多的能量。試件的破壞特徵和破壞模式能很好地反映試件的能量耗散特性。

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文中圖片

砂質泥巖試件與類巖石材料試件的應力-應變曲線及破壞模式

完整試件與V型相交裂隙試件幾何參數

完整及相交裂隙試件的應力-應變曲線

完整及裂隙試件的峰值應力和初始損傷度

完整及裂隙試件的彈性模量和峰值應變

試件耗散能與彈性應變能的關係

完整和裂隙試件的能量統計

單軸壓縮下不同夾角V型相交裂隙試件的起裂形式

不同夾角相交裂隙試件的起裂應力和起裂應力水平

完整和相交裂隙試件的裂紋擴展和破壞模式

V型相交裂隙的布置形式

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作者簡介

劉新榮，男，1969年2月生，浙江開化人，新世紀百千萬人才工程國家級人選、享受國務院特殊津貼專家、教育部新世紀優秀人才。現任重慶大學土木工程學院教授、博士生導師，庫區環境地質災害防治國家地方聯合工程研究中心常務副主任，兼任中國巖石力學與工程學會常務理事、中國土木工程學會地下空間專業委員會副主任、重慶巖石力學與工程學會理事長等，主要從事巖土工程、隧道與地下工程等領域的教學科研工作。《工程地質》（網絡）國家級精品課程負責人和《巖石力學》國家級精品課程主講教師。

研究方向

巖土工程災變機理與防治技術、隧道與地下工程穩定性

主要成果

主要致力於水巖相互作用機理及其在巖鹽水溶開採、庫岸邊坡穩定性、地下工程水害防治等領域的應用、巖土工程災變機理和控制技術、隧道與地下工程圍巖穩定性等的研究，取得了多項創新性成果，獲國家科技進步獎3項和省部級科技獎勵10餘項，發表學術論文300餘篇，出版專著教材6本。

來源：

劉新榮,尹志明,王豔磊. 含V型相交裂隙巖體的力學特性及破壞模式試驗[J]. 煤炭學報,2020,45(2):651-659.

LIU Xinrong,YIN Zhiming,WANG Yanlei. Mechanical properties and failure mode of rock mass containing V-type intersecting fissures[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(2):651-659.

責任編輯：郭曉煒

編輯整理：郭曉煒

審 核：常琛

End

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