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不同应力路径下深部岩石卸荷力学特性真三轴试验研究

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摘要

1.1 课题来源及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三轴试验机发展现状

1.2.2 岩体加卸荷破坏特性对比研究

1.2.3 深部岩体力学特性研究

1.2.4 卸荷应力路径研究

1.3 存在的问题

1.4 研究内容与研究方法

2 岩体加卸荷力学特性对比

2.1 真三轴卸荷岩石测试系统简介

2.2 试验方案

2.2.1 标准试件力学性能测定

2.2.2 真三轴试验方案

2.3 岩石加卸载破坏变形特征对比

2.3.1 轴向应力—应变关系

2.3.2 围压—应变关系

2.4 岩石加卸载力学参数演化规律

2.5 岩石加卸载破坏特征

2.6 本章小结

3 不同应力路径下岩体卸荷力学特性分析

3.1 试验方案

3.2 不同卸荷路径下岩石破坏变形特征对比

3.2.1 轴向应力—应变关系

3.2.2 围压—应变关系

3.3 不同卸荷路径下岩石变形参数演化规律

3.4 不同卸荷路径下岩石坏特征

3.5 本章小结

4 岩体卸荷力学特性分析

4.1 不同应力路径对岩石破坏强度的影响

4.1.1 加卸荷对岩石破坏强度影响

4.1.2 不同卸荷路径对岩石破坏强度的影响

4.2 岩石卸荷破坏强度准则

4.2.1 岩石强度准则简介

4.2.2 基于真三轴卸荷试验的强度准则分析评价

4.3 本章小结

5 岩石卸荷力学特性数值模拟研究

5.1 FLAC3D模拟简介及模拟过程

5.1.1 FLAC3D模拟简介

5.1.2 计算模型及本构模型

5.1.3 模拟方案

5.2 数值模拟结果分析

5.2.1 恒轴压卸荷应力—应变关系

5.2.2 不同应力路径下模型卸荷应力—应变关系

5.3 本章小结

6.1 主要结论

6.2 不足

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果

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摘要

本文通过将花岗岩以及砂岩制备立方体试件,运用实验室真三轴试验、理论分析及数值模拟,进行不同围压下的真三轴加卸载试验以及不同卸荷路径下的真三轴试验,通过试验数据对比分析了岩石在加卸载条件下的力学特征和岩石在不同卸荷路径下的变形破坏规律、力学参数变化变化规律。论文的研究成果和主要内容有如下几个方面:
  (1)由不同围压下岩石真三轴加卸载试验得出在真三轴压缩条件下岩石试件变形表现为轴向压缩以及沿最小主应力方向发生扩容。真三轴卸荷条件下岩石试件变形以沿卸荷方向膨胀为主,岩石破坏时的脆性特征更加明显。
  (2)在真三轴压缩条件下,在轴压达到峰值前,花岗岩试件的变形模量会随着轴压的增大不断增大,砂岩试件的变形模量会不断减小,而当轴压达到峰值后,均会表现出变形模量迅速降低,泊松比会随着轴压的增大不断增大。在真三轴卸荷条件下,试件的变形模量随着初始围压的增大而增大,在卸荷过程中会不断降低,泊松比随着卸荷面应力的降低不断增大。
  (3)在不同卸荷路径下岩石真三轴试验中发现,岩石试件破坏均由沿卸荷方向的扩容所导致,方案二卸荷量最小,岩石试件破坏变形最剧烈,方案三中岩石试件卸荷量最大,岩石试件破坏过程相对最缓慢。岩石试件均表现出张拉与张剪复合破坏的特征,而在相同卸荷路径下,砂岩试件较花岗岩试件破碎度更大。
  (4)在三轴加载与卸荷条件下,岩石试件的承载能力均随着围压的增大而增大。三种卸荷路径中,岩石试件的极限承载强度随着卸荷面应力减小不断减小。
  (5)对四种广泛运用的强度准则对不同围压下恒轴压卸荷试验所得到的数据进行拟合分析,其中Mogi-Coulomb准则对岩石在真三轴卸荷条件下的强度特性反映效果更好。
  (6)利用FLAC3D进行了岩石卸荷力学特性的数值模拟,在卸荷过程中模型内剪应变率增大形成剪切带最终使模型内侧出现有多条剪切裂缝贯通形成的破裂面,在卸荷面附近出现劈裂破坏,最终破坏面互相贯通使模型整体发生破坏。

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