三维裂隙扩展的CT试验及理论分析研究

三维裂隙扩展的试验与理论研究成果对于岩体三维本构关系的建立至关重要。本文通过多种配比和烧制温度的初步选择试验,精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单或双币状裂隙,进行了加载过程中的CT实时扫描试验,利用试验结果分析裂隙扩展规律。 为了更好地进行三维裂隙的CT扫描试验分析和本构关系的推导,理论上研究了二维、三维裂隙的扩展长度,分析了裂隙的最有利扩展角度;通过MTS电液伺服试验,得到了裂隙角度与裂强比的关系曲线;利用三维显式有限差分法程序Flac-3D,模拟了压缩载荷作用下含单裂隙标准试件的裂边应力分布。 通过单轴单裂隙扩展CT实时扫描试验,得到了裂隙扩展的一般规律,获得了初裂强度、翼裂纹扩展长度、自相似扩展长度等重要参数;根据不同角度预置单裂隙试件劈裂后的纵向扫描,说明了裂隙的扩展状况依赖于预置裂隙的角度、长度等因素;预置双裂隙试件单轴压缩CT试验结果表明:岩桥长度达到预置裂隙半径的4倍时,两个裂隙几乎没有相互作用;预置单裂隙试件三轴压缩CT试验研究表明:翼裂纹扩展受阻,裂隙的自相似扩展较大,裂隙扩展产生的翼裂纹距离上下缘更远一些;预置双裂隙试件三轴压缩的CT试验研究发现,裂隙的扩展状况其实就是单轴双裂隙的扩展规律与围压效应的叠加。 充分考虑到裂隙岩体的初始损伤、裂隙闭合、自相似扩展、摩擦滑移和弯折扩展等损伤机制,给出了三维有效柔度张量,推导了三维裂隙岩体脆弹性断裂损伤本构关系。结合厦门暗挖海底隧道的开挖稳定性分析项目,通过三维节理裂隙岩体脆弹性断裂损伤模型与商用软件三维显式有限差分法程序Flac-3D计算结果的对比分析,说明了本文提出的节理裂隙岩体断裂损伤模型在实际工程应用中更为适合。