诱导条件下节理岩体流变断裂理论与应用研究.pdf

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中南大学 博士学位论文 诱导条件下节理岩体流变断裂理论与应用研究 姓名袁海平 申请学位级别博士 专业岩土工程 指导教师曹平 20060601 摘要 自然崩落法是一种低成本、高效率的采矿方法,特别适用于节理 发育的厚矿体。该法主要通过在矿岩底部切割出一定面积和高度的岩 体自由空间,人为应力诱导以引起岩体内应力分布状态发生改变,促 使岩体破坏并在自重力作用下自然崩落。然而高应力软弱复杂岩体的 破坏方式及机理与坚硬脆性岩体不同,在次生应力场作用下,软弱复 杂岩体会产生大变形,进而导致岩体流变断裂直至破坏。目前国内外 这方面的理论和工程实践尚处于初期探索阶段,因而此类矿山采用自 然崩落法较其它法具有更大的经济风险和技术挑战性。本文结合金川 有色金属 集团 公司重大科技攻关课题“高应力破碎矿岩条件下 自然崩落法矿岩崩落规律研究”和中南大学博士研究生创新工程项目 。诱导条件下软弱复杂岩体自然崩落机理研究” 1 3 4 3 7 5 2 1 0 ,对诱 导条件下节理岩体流变断裂问题进行了深入研究。主要研究内容和结 论如下 应用断裂力学理论,基于裂纹空间形态的基本假定,建立了远场 应力作用下单一裂纹的概化力学模型,通过引入梁网法,将单一裂纹 概化力学模型拓展到了多组节理裂纹的概化力学模型,推导了分支裂 纹尖端应力强度因子的计算公式。 采用双扭常位移松弛法在烈S T R O N1 3 4 2 电液伺服材料试验机 上对金川矿区三种典型岩石进行了亚临界裂纹扩展和断裂韧度测试, 确定了I 型应力强度因子与亚临界裂纹扩展速率间的关系,得到了所 测岩石亚临界裂纹扩展门槛值与断裂韧度值,并探讨了裂纹萌生、扩 展和贯通的力学机制。 采用R Y L .6 0 0 微机控制岩石剪切流变仪,对金川1 I I 矿区A 2 贫 矿、混合岩和氧化矿三种岩样进行了蠕变试验,得出了所测岩样的蠕 变变化规律,确定了相应的蠕变模型。并根据岩石粘弹塑性共存的试 验结果,基于M o h r - C o u l o m b 准则,对典型B u r g e r s 蠕变模型进行了 改进,首次提出了一种本文称之为M - C 的塑性元件,建立了适应于 矿区岩石蠕变特性的流变模型。 引入流变断裂类应力强度因子概念,推导了以应力强度因子,分 支裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立了多种破坏机制时的 统一流变断裂准则,最终形成了诱导条件下节理岩体持续大规模自然 崩落判据。 基于F L A C3 D 商用软件二次开发技术,本文将自然崩落判据转 化为计算机程序,形成了功能较强的诱导条件下节理岩体持续大规模 自然崩落模拟系统,并成功地将其应用于金川I I I 矿区高应力破碎矿 岩条件下岩体自然崩落的数值模拟中,研究了无削帮时不同拉底面积 条件对矿岩应力重分布的影响及岩体自然崩落效果,并对矿岩自然崩 落速度进行了预测,解决了复杂条件下矿岩流变断裂、自然崩落规律 和崩落速度预测的难题,为我国厚大贫矿矿体大规模开采开辟了新的 途径,为工程实际提供了科学指导。 关键词流变断裂,亚临界扩展,自然崩落,B u r g e r s 模型,判据 Ⅱ B l o c kc a v i n gi sam i n i n gm e t h o dw i t hl o wc o s ta n dh i g he 伍c i e n c y o Ri se s p e c i a l l yf i tf o rt h ed e v e l o p i n g - j o i n t e d 廿l i c ko r em a s s .I nt h i s m e t h o d , t h eb l o c ki Sc o m p l e t e l yu n d e r c u ti n t oaf r e es p a c ew i t hc e r t a i n a r e aa n dh i g ha tt h eb o t t o m , w h i c hc h a n g e st h es t r e s sd i s t r i b u t i o n si n r o c km a s s .T h em a n - m a d es t r e s s .i n d u c e dm a n n e ru r g e st h ef r a c t u r ea n d b l o c ko f r o c km a s sc a v i n gb yi t s e l fw e i g h t .H o w e v e r , t h ec a v i n gm a y b e h a p p e nb e c a u s eo ft o ol a r g et r a n s m o g r i f i c a t i o na n dt h e o l o g i cf r a c t a r et o h i g hc r u s t a ls t r e s sa n dc r a c k e dr o c km a s s .n 埽f i a c t u r em o d ei sd i f f e r e n t f r o mt h a to ft h eh a r da n db r i t t l er o c km a s su n d e rs e c o n d a r ys t r e s sf i e l d . A tp r e s e n t , t h eb o d yo f t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lk n o w l e d g eo f t h ef a c t o r s c o n t r o l l i n gt h ec a v i n gp r o P e s si sl i n l i t e d , a n dt h ee c o n o m i cr i s ka n d t e c h n o l o g i c a ld i 伍c u l t i e si nd e v e l o p i n gac a v i n gm i n ec a nt h e r e f o r eb e h i g h e rt h a no n ew o u l dl i k e .T or e m e d yt h i ss i t u a t i o n , t h ea u t h o rs t u d i e d d e 印l ya n ds y s t e m a t i c a l l yo nt h er h e o l o g i cf r a c t u r ep r o b l e m so f j o i n t e d r o c k su n d e ri n d u c i n gc o n d i t i o n s ,c o m b i n i n gw i t ht h et w op r o j e c t s t h e k e yt e c h n o l o g i e SR Dp r o j e c ts u p p o r t e db yt h en o n f e r r o u sm e t a l s c o m p a n yo fJ i n c h u a n ‘S t u d yo nb l o c kc a v i n gl a wo ft h ec r a c k e do r e r o c k su n d e rt h ec o n d i t i o n so fh i g hc r u s t a ls t r e s s ’。a n dt h ei n n o v a t e d p r o j e c to f P H Dc a n d i d a t es u p p o r t e db yC e n 缸 a lS o u t hU n i v e r s i t y ‘S t u d y 0 1 1b l o c kc a v i n gm e c h a n i s m sf o rf l a b b ya n di n t r i c a t er o c km a s su n d e r i n d u c i n gc o n d i t i o n s 1 3 4 3 7 5 2 1 0 ’.T h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o n a r es u m m a r i z e d 鹪f o l l o w s T h es u m m a r i z e dm e c h a n i c a lm o d e lo fs i n g l ec r a c ka p p l i e db yt h e r e m o t es t r e s s e sw a sb u i l t , b a s e do nt h et h e o r yo ff r a c t u r em e c h a n i c sa n d s o m ea s S u H l e so fc r a c k e dc o n f i g u r a t i o ni ns p a c e .W h e r e a R e r , t h e s u m m a r i z e dm o d e lW a sc o n t i n u a t e df r o ms i n g l ec r a c kt os e v e r a l - s e t c r a c k st h r o u g hi m p o r t i n gt h en e t w o r ko fb e a m sm e t h o A n ds o m e e q u a t i o n sw e r ed e r i v e dt oc a l c u l a t es t r e s si n t e n s i t yf a c t o ra lt h ew i n g c r a c k t i p . 1 1 地d o u b l e - t o r s i o nl o a d - r e l a x a t i o nm e t h o da tc o n s t a n td i s o l a c e m e n t W a sa d o p t e d , a n dt h r o ek i n d so fr o c k sc o m i n gf r o ml i n c h u a nm i n ew c T e t e s t e dt og e tt h ep a r a m e t e r so fs u b e f i t i c a lc r a c kg r o w t h s c o a n d f r a c t u r et o u g h n e s su s i n gt h eD 珞1 ] R o N1 3 4 2t y p ee l e c t r o - h y d r a u l i c ∞I “ V O t e s t i n gm a c h i n e .n er e l a t i o n sb e t w e e ns t r e s si n t e n s i t yf a c t o r a n d s u b c r i t i c a lc r a c kg r o w t hv e l o c i t yw e r ea n a l y s e d , t h et h r e s h o l dv a l u eo f m S C Ga n df r a c t u r et o u g h n e s sw e r eo b t a i n e d , a n dt h em e c h a n i s mo fc r a c k s e e d i n g ,p r o p a g a t i n ga n di m p e n e t r a t i n gw o r ed i s c u s s e d n e r h e o l o g i c a lt e s t i n g so f A 2l e a no r e 。m i g m a t i t ea n do r eo x i d a t ea t J i n c h u a nI I Im i n ew o r ed o n eu s i n gR Y L .6 0 0s h e a rr h e o l o g i cm a c h i n eo f r o c kc o n t r o l l e db yc o m p u t e r .田∽e r e ∞c h a n g i n gl a w so ft h e s er o c k s w e r eo b t a i n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gc r e ∞m o d e l sw e r eb u i l t .A c c o r d i n g t ot h et e s t i n gr e s u l to f v i s c o - e l a s t o - p l a s t i cc o n c o m i t a n tc h a r a c t e r i s t i cf o r a l ls a m p l e s .t h ea u t h o rp r e s e n t e df i r s t l yac a l l e dM _ Cp l a s t i cc o m p o n e n t b a s i n go nM o h r - C o u l o m bc r i t e r i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n .n 圮c l a s s i c a l B u r g e r sc r e e pm o d e lw a si m p r o v e du s i n gt h ec o m p o n e n t a n dt h e r h e o l o g i cm o d e lW a sd e v e l o p e dt om e e tt h eC T e e pc h a r a c t e r i s t i c sa tt h e d i g g i n g s . A c o r r e s p o n d i n gp o t e n t i a lf u n c t i o nw i t hs u c hi n t e r n a lv a r i a b l e sa s s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , w i n gc r a c k1 e n g t ha n dt i m ew a sd e r i v a t e du s i n gt h e c o n c e p to fr h e o l o g i cf r a c t u r es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r .Au n i t i v et h e o l o g i c f r a c t u r ec r i t e r i o nW a sf o r m e db a s i n go ns e v e r a lk i n d so ff r a c t u r e m e c h a n i s m s .A n df i u a l l y , ac r i t e r i o nW a sd e v e l o p e df o ri o i n t e dr o c km a s s c a v i n gc o n t i n u a l l ya n dl a r g e - s c a l l yu n d e ri n d u c i n gc o n d i t i o n . B a s e do nt h ea R e r - e x p l o i t e dt e c h n o l o g yo fF L A C3 Dc o m m e r c i a l s o f t w a r e ,t h eb l o c kc a v i n gc r i t e r i o nW a st r a n s l a t e di n t oc o m p u t e r p r o g r a m s .a n dab e t t e r - f u n c t i o n a ls i m u l a t e ds y s t e mw a sd e v e l o p e df o r j o i n t e dr o c km a s sc a v i n gc o n t i n u a l l ya n dl a r g e - s c a l l yu n d e ri n d u c i n g c o n d i t i o n .A n dt h es y s t e mW a sa p p l i e ds u c c e s s f u l l vt os i m u l a t et h eb l o c k c a v i n go ft h ec r a c k e dr o c km a s si nJ i n c h u a nmm i _ r l eu n d e rh i g hc r u s t a l s t r e s sc o n d i t i o n .n l ei n f l u e n c eo fs e c o n d a r ys t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h e e 腩c to fb l o c k c a v i n go fo r e b o d i e sw o r es t u d i e dt h r o u g hd i f f e r e n t u n d e r c u t t i n ga n 勰u n d e rn op r e .w a l l - c u f f e dc o n d i t i o n .A n dt h eb l o c k c a v i n gs p e e do fo r e - r o c kW a sp r o g n o s t i c a t e d .S o m ed i f f i c u l tp r o b l e m s a b o u tr h e o l o g i cf r a c t u r e ,b l o c kc a v i n gl a wa n dc a v i n gs p e e df o r e c a s to f o r e - r o c ka tc o m p l i c a t e dc o n d i t i o nw e r es o l v e db y Ⅱl e s en u m e r i c a l a n a l y s e s .w h i c hi n a u g u r a t e dan e wa p p r o a c hf o rt h e Ⅱl i c ka n dl e a nO r e m i n i n gl a r g e s c a l l yi nC h i n a , a n dp r o v i d e ds o m es c i e n t i f i cd i r e c t i o n sf o r t h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c e s . K e yw o r d sr h e o l o g i cf r a c t u r e ,s u b c r i t i c a lc r a c kg r o w t h , b l o c kc a v i n g , B u r g e r sm o d e l ,c r i t e r i o n I V 博士学位论文 第一章绪论 1 .I 引言 第一章绪论 岩体力学是随着矿山、土木、交通、水利等岩土工程建设和力学理论、计 算手段的进步而逐步发展形成的- - t - J 新兴学科,以赋存于一定地质环境中与工 程密切联系的极其复杂的岩体介质为研究对象,研究岩体在各种不同受力状态 下产生变形和破坏的规律,提供解决岩体工程问题的理论和方法,具有很强的 实用性和实践性.自然岩体是一个受众多因素影响,随时间变异的复杂动态系 统1 1 ] .在漫长的地质历史过程中,岩体经历了多次地质构造应力场的作用和改造, 使原本完整的岩体变成不同程度损伤的地质体圆,从而产生了形态各异、大小不 等的节理、裂隙等结构面,甚至断层,因而在力学上具有不连续性、备向异性、 不均匀性、块体可移动性及其赋存地质因子等特性【3 】,其力学性质远比金属、陶 瓷等材料复杂.与此同时,岩土工程受地质因素 岩性、岩体结构、地下水、 原岩应力、节理裂隙、构造破碎带等 、T 程因素 工程结构,类型,尺寸i 长轴方向、埋深等 和生产因素 开挖方式、爆破振动、回采顺序、回采地压 等诸多因素的影响,这些因素错综复杂,相互影响,它们之间的关系很难用精 确的数学关系来描述.此外,由于地质数据的无规律变化、生产状态的复杂多 变、理论和方法的不够完善,都使得岩体力学与工程的研究具有其自身的特殊 性和复杂性. 节理是岩体中主要的缺陷,是岩石在地质演化过程中形成的面、缝、层等 软弱地质界面[ 4 1 .节理岩体作为地质体的一部分,包含了从微观、细观到宏观的 各种尺度缺陷,岩体内大量节理裂隙的存在大大地改变了岩体的破坏与失稳方 式,岩体的破坏与失稳总是伴随着原有裂隙的演化、扩展和贯通,且强烈地受 到内部裂隙面性态及其分布方式的影响、制约和控制.从工程力学参数上,裂 隙的存在与扩展导致岩体力学性质产生了显著“弱化”和强烈各向异性【卯.因而, 对节理岩体的力学性质研究,明确岩体在各种荷载作用下裂纹的存在和演化扩 展对其变形与强度所产生的力学效应。具有重要意义. 近几十年来,随着计算机的日益普及和仿真技术的不断发展,数值计算已 经被普遍应用于工程设计中解决各种岩石力学问题,并在很大程度上取代了一 些传统的研究手段,使得岩土工程中的许多岩石力学问题有可能较快地得到解 博士学位论文 第一章绪论 决M 1 .在有限元法、有限差分法等数值分析方法中,对于成组分布的连续节理、 薄弱断层或软弱夹层,可以单独设立单元,采用已有的节理单元或夹层单元模 型,以反映结构面变形不连续特征。而对于较大的断层带亦可以单独设立单元, 采用弹塑性力学模型,以反映断层内介质所具有的屈服流动特性。所有这些单 元,其单元内介质都按连续,均匀介质处理,其中节理单元的变形不连续性态 在单元内是均一的。但是,对于节理裂隙随机分布的节理岩体,倘若采用节理 单元要深入到具体考察每一条节理裂纹的应力应变状态和扩展过程,逐一模拟 每一缺陷以及所有缺陷之间的相互作用对岩体的力学效应是不现实的,因而需 要采用某种方法加以综合,考虑其总体宏观效果,研究其独特的力学计算模型。 现有的节理岩体力学模型,按介质连续性可分为非连续介质模型和连续介 质模型两大类.C u n d a l l [ m 提出的离散元法、G o o d m a n 和S h i [ m 的关键块体理论等 都属于非连续介质模型方法,非连续介质理论将岩体结构按块体进行几何上的 简化,以独立计算单元的形式进行总体分析.对于已将岩体完全切割成块体状 的发育结构面情况,采用这一理论是合适的.然而,实际工程中绝大多数岩体 中的节理裂隙是非贯通的,从而大大降低了不连续岩体力学对节理岩体的适用 性.连续介质力学及计算方法都比较成熟,但能够直接利用连续介质理论来解 决的实际工程问题是十分有限的I 埘。常用的连续介质数值分析方法有有限元法、 有限差分法等。当节理随机分布或不考虑结构面等缺陷的影响时,从整体上看, 岩体可看作是一种各向同性的介质。对具有不同分布形式的节理,其对岩体的 影响也不同,如果存在一组或多组节理,一般情况下,岩体就表现出各向异性。 从工程的观点看,当岩体中节理的延伸长度与岩体中人为工程的范围在同一量 级或岩体明显地表现为层状时,一般将节理视为贯穿的结构面来进行处理,而 对那些延伸长度远小于工程范围的节理,将其视为断续的不贯穿的裂纹则更符 合实际情况i “J . 国内外大量工程实践表明,几乎所有的岩体工程都是在开挖一定时间后才 开始出现岩体失稳破坏的,通常由于开挖面附近应力场的重分布而使岩体变形 在某些结构面或其中的薄弱部位随时间的增长而不断变化;或者因地质条件恶 化,使岩体中的节理裂隙结构面不断地蠕变、演化,贯通,进而产生宏观断裂. 因此,岩体的非弹性变形是一个时间相依的过程。开展节理岩体力学特性的研 究必须考虑其时效特征,流变断裂特性研究具有极其重要的理论价值和工程意 义。 节理岩体的流变属性受前期载荷历史的影响,具有非线性特征,对高地应 力地区的节理岩体,其非线性流变特性尤为突出。另外,岩石作为一种蕴含大 量微观裂隙的材料,当裂隙尖端的强度因子接近岩石的断裂韧度时,裂纹发生 博士学位论文 第一章绪论 亚临界扩展,经过一定的时间后,裂纹就会发生高速扩展从而导致断裂破坏. 研究表明,裂纹从发生亚临界扩展开始到高速扩展所需的时间是一个与作用在 裂纹上的应力有关的量.对于脆性岩体,节理岩体的破坏机制研究可以从考虑 裂纹的扩展与时间的关系入手,而对于软弱岩体尤其是高应力地区的岩体,岩 体脆性断裂的可能性不大,与破坏有关的时间因素主要是由岩体的流变性质所 决定.虽然岩石的流变力学和断裂力学在国内外已取得了一定的研究成果,但 对于节理裂隙岩体的流变和断裂耦合问题,目前还只处于起步研究阶段。而对 于诱导条件下的节理岩体流变断裂的理论与应用研究问题,则至今未见诸于报 道。 本文所指的诱导条件,是指为促使岩体根据人的意愿进行应力二次重分布, 在正式开挖前事先人为地在特定位置开挖或切割出一定面积和高度的岩体自由 空间,人为诱导以满足特定岩体工程目的和要求而设定的人为工程条件.随着 社会对金属矿产资源需求的不断增加,浅部高品位矿产资源日趋枯竭【1 2 1 ,大规 模高强度开采浅部低品位矿产资源以及有效开采深部矿产资源是目前采矿界面 临的重大研究课题。随着资源开采难度的不断增加,若不想增加采矿成本,”就 必须改进现有的生产工艺和技术.自然崩落法就是一种集低成本、高效率、工 艺简单,作业安全等诸多优点为一体的特殊采矿方法,因其持续大规模的采矿 工艺,故在成本上它是目前唯一可与露天开采相媲美的一种地下采矿方法【”1 。 自然崩落采矿是通过在矿岩中布置削弱工程 人为诱导工程 改变其中的应力分 布状态,使矿岩按要求发生破坏和失稳崩落,达到采出矿石的目的,特别i 舌用 于节理裂隙发育的厚矿体。其实质是利用节理对岩体的削弱作用来实现矿岩的 自然崩落【1 4 1 .在矿岩的崩落过程中,不同的拉底、削帮方式所产生的崩落效果 是完全不同的,这就要求在进行工程布置时充分考虑各种因素的影响,以最优 的拉底、削帮方式去争取最好的崩落效果.我们注意到,地下工程的特点是所 需解决问题的对象并不十分清楚,即使是经过十分详细的工程地质调查的矿岩 亦是如此,而且一旦矿岩崩落,我们有可能对其具有更充分的认识时,这种认 识对已崩落的矿体已不具有任何意义了,而未崩落的部分却仍然是一未知数。 从这一点看,采矿中的预测具有更加重要的地位,这种方法就是希望通过已经 得到的资料来预测将要发生的地压现象,或利用地压来造福人类或避免地压的 活动来实现安全生产。自然崩落法是人为地去诱导矿岩按照我们的意愿崩落, 因而是一个更为复杂的岩体力学问题。 鉴于此,本文在前人研究的基础上,采用理论推导和室内实验相结合的方 法,以断裂力学和流变力学为理论依据,对诱导条件下节理岩体流变断裂问题 进行深入研究。最后采用现代数值仿真技术,将研究成果应用到金川m 矿区贫 博士学位论文第一章绪论 矿开发的自然崩落数值模拟分析研究中,为我国厚大贫矿山大规模开采开辟新 的途经,为理论应用于工程实践提供科学指导。 1 .2 国内外研究现状与进展 1 .2 .1 岩石裂纹扩展研究现状 在过去的几十年内,国内外不少学者对岩石裂纹的形态、扩展以及裂纹问 的相互连接与贯通机制分别从理论、实验和数值等方面进行了大量研究,取得 了丰硕的研究成果。 在线弹性体中,当裂纹尖端的应力强度因子超过断裂韧度时,裂纹会以接 近声速的速度扩展。而在低于断裂韧度的长期荷载作用下,裂纹将会以一定的 速度扩展【”l ,这称为亚临界裂纹扩展。影响亚临界裂纹扩展的因素很多,尤其 在现场环境下.概括起来,这些因素包括应力强度因子、压力、温度、环境 介质的活性等.W i l l i a m s 和E u a n s 【垧、S h e r r yDK 和V i r k a rAV 【朔、T r a n t i n a [ 1 8 1 分别对陶瓷等材料进行了裂纹亚临界扩展试验研究,K e m m e n y [ 1 9 】对脆性岩石的 亚临界裂纹扩展试验结果进行了分析,建立了倾斜裂纹在压应力作用下亚临界 扩展应力强度因子的时间相依关系模型。 通常,裂纹沿局部最大压应力方向扩展,从而使剪应力的影响最小,并使 应变能释放率最小.节理面、空洞和其它裂纹的存在改变了局部应力场,影响 裂纹的扩展方向。此外,颗粒边界不连续性也会阻止裂纹的扩展或使扩展转向. 许多人观测到裂纹会从一条节理面扩展到另一条节理面,而形成梯形 e c h e l o n 状连接跚。N e m a t - N a s s e r 和H o r r i [ 2 1 .篮】为研究单轴压缩状态下含倾斜裂纹的扩展, 进行了一系列试验。试验表明,在单轴荷载作用下,分支裂纹沿最大压应力方 向扩展,裂纹的初始扩展是稳定的;在分支裂纹扩展达到一定长度时,随着轴 向压应力的增加,裂纹的扩展率急剧增加。如果存在微小的侧向张应力,裂纹 的扩展就会变得不稳定。随着计算机与数值分析技术的迅速发展,M a t t e oC i c c o t t i 等国内外多位学者盼。4 l 利用数值模拟的方法,对常位移松驰法测试岩石亚临界 裂纹扩展规律的室内实验进行了模拟研究,更形象地实现了室内试验难以显现 的裂纹扩展过程和裂纹尖端应力场的变化规律,同时也消除了室内试验的人为 因素影响。陈卫忠等瞄l 详细地研究了闭合裂纹在单轴、双轴载荷作用下,裂隙 扩展、贯通的规律,并应用8 节点奇异等参单元模型模拟了节理尖端应力场的 奇异性,实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性, 实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。 4 博士学位论文 第一章绪论 在裂纹扩展相互作用方面的研究,已经取得了许多重要研究成果。B a t z l c [ 硐 用S E M 方法观测到在单轴压应力作用下裂纹的闭合,并发现裂纹相互作用时, 一条裂纹张开或闭合,取决于裂纹的方向。对已存在的偏应力场施加静水压力 可能会减小裂纹尖端的应力集中范围和大小,增加裂纹间的抗剪摩擦力.对张 拉和剪切裂纹,这会增加裂纹扩展的能量,使裂纹问的相互作用减小. B o m b o l a k i s [ 2 7 1 ,H o e k 和B i e n i a w s k i 脚1 研究表明,某种裂纹排列形状更易于连接, 并认为,当裂纹相距几个裂纹长度时,连接不会发生。S e g a U 和P o l l a r d 伫9 l 基于 实验结果对裂纹问相互作用进行了预测,考虑了偏应力场作用下连续介质中随 机分布裂纹之间的应力扰动。分析认为裂纹间区域的应力集中是张性连接的主 因,这种连接会从一条裂纹尖端到另一条裂纹的尖端,或从裂纹尖端到附近裂 纹壁.K r a n z [ 3 0 - 3 l 】根据大量试验观测,认为最初微裂纹是随机分布的,随着偏应 力场的增加,局部微裂纹密度增大.岩石的破坏即是众多裂纹扩展、相互连接 的结果,而非单一裂纹扩展的结果。在压应力状态下,断裂明显地伴随着局部 裂纹之间以及裂纹与空洞之何的连接.与断裂相关的研究表明,在断裂区,微 裂纹密度很高,而在几个颗粒以外,很快恢复到最初的水平。 蔚 岩石裂纹扩展机理对于研究裂纹扩展特性具有重要意义。S i l b e r s c h m i d tV G l 硐等通过现场和室内试验,研究了采矿过程对砂岩裂纹扩展的影响,认为在岩 石蠕变过程中不是所有的不连续面都会闭合,裂纹的扩展参数受矿柱的预留时 问、采矿工艺、力学测试手段、观测裂纹扩展的方法等诸多因素的影响.L i m 等 刚4 1 采用三点弯试验对软岩进行了研究,测试了I 型和混合型裂纹的扩展及其断 裂韧度值,R e n s h a w 和P o l l a r d [ 3 5 l 对多种脆性、线弹性岩石的裂纹扩展问题进行 了试验研究,建立了该类材料的裂纹扩展准则。F r a n c o i s 、W i l s h a , 梆和B o o n e P 7 ] 发现,静水压力对裂纹成核没有太大的影响,而抑制了穿过颗粒和越过颗粒边 界的裂纹扩展.P e r k i n s [ 3 s l 发现,随着围压的增加,砂岩中裂纹扩展的能量释放 率增加。任建喜、惠兴田口明利用C T 实时试验研究了单一裂纹裂隙砂岩单轴压缩 条件下的细观损伤破坏机理,得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等 各阶段的C T 图像、C T 数和C T 数方差。得出了已有预制裂纹对新的裂纹的起 裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响的结论,预制裂纹的存在导 致裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量.剡公瑞【帅】从岩石切片 扫描电镜下的断裂实验出发,研究了材料的细观开裂机理,进而采用非均质材 料的统计断裂理论,建立了细观破坏的力学模型,并进行了数值模拟实验工作. 赵永红1 .1 4 2 1 等人用S E M 方法研究了单轴荷载作用下岩石割缝尖端微裂纹成核, 扩展、连接,最终形成主裂纹的过程,统计了微裂纹数与方向和荷载水平之间 的关系.在裂纹扩展过程中,不仅存在微裂纹的扩展,而且存在微裂纹的闭合. 博士学位论文第一章绪论 为了探寻岩石的蠕变裂纹起裂和扩展规律,国内外学者进行了大量的研究. K n m z l 2 0 , 4 3 1 用S E M 方法对B a r r e 花岗岩在8 7 c A 的断裂强度荷载作用下裂纹的蠕 变扩展进行了研究,发现在外荷载作用下,裂纹长度和裂纹数随时间增加,且 随着时间的延长,裂纹之间、裂纹与空洞之间的相互作用加剧。在加速蠕变阶 段,裂纹之间的连接、归并比单一裂纹的扩展更为明显。肖洪天1 4 4 .4 5 ] 借助扫描 电镜,研究了紧凑拉伸试件和单轴压缩状态下含倾斜裂纹试件,主裂纹尖端微 裂纹的演化规律,尤其在流变状态下,微裂纹扩展、连接,形成主要裂纹的动 态过程。试验表明当岩石加载到一定值时,引起裂纹闭合、滑移、起裂和扩 展,此时岩石的变形是介质的变形和裂纹滑移、扩展引起变形的总和。W u 和 T h o m s e n [ 4 6 1 研究了W e s t e r l y 花岗岩在蠕变条件下微裂纹的扩展和宏观变形的特 征,发现花岗岩的蠕变三阶段不仅反映在变形方面,而且反映在有微裂纹扩展 所引起的声发射.随着蠕变变形的增加,测试到的声发射数增加。最后试件的 破坏实际上
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