单裂纹岩体冻胀开裂机理研究

单裂纹岩体冻胀开裂机理研究
本文依托乌帕尔镇矿井冻结法施工为工程研究背景,选用含水层500m-600m 红砂岩材料对应的力学参数,通过真实破裂系统RFPA2D—Thermal模拟饱冰裂纹岩体在单次温降条件下,研究岩体中不同的裂纹产状、宽度和含冰量对裂纹岩体冻胀开裂机制的影响。

本文得到的主要结论有:(1)岩石预制裂纹在低温作用下,探究不同饱和冰冻胀对新裂纹萌生、扩展的影响。

在岩石模型的整个破坏过程中,不同含冰量的岩石模型累计的声发射数量有明显区别,其中含冰量较多的模型声发射数量明显高于其他模型,并且根据声发射数量变化,将其破坏过程分为三个阶段分别是:线弹性变形阶段,模型单元损伤较少,零星分布;裂纹形成、贯通阶段,零星单元逐渐联结形成裂纹,并不断向前发育;失稳破坏阶段,模型完全破坏,形成宏观裂纹。

对比各模型细观破裂图,根据其破裂单元的程度,分为了无损伤区、微损伤区和损伤破裂区,也解释了累计声发射不同的原因所在。

应力分析发现影响岩石破坏的主要原因是最小主应力(拉应力)的作用,在发生破裂后,模型拉应力降至零点;裂纹附近各模型相同位置应力各不相同,含冰较多的裂纹对应的应力会稍大一些,同时意味着此处单元会先发生破坏。

(2)在低温作用下,预制不等宽度裂纹岩石模型,探究不等宽度裂纹冻胀破坏对新裂纹的产生、扩展规律。

观察破裂结果图发现,不等宽裂纹岩石模型的破坏模式基本一致,都是从预制裂纹中的冰先发生破坏,然后沿着预制裂纹尖端继续发育、扩展,直到贯通;声发射累计增长速率和累计数量几乎保持一致,不受宽度的影响,而没有预制裂纹的模型裂纹萌生的位置,扩展的方向和发生破坏的方式与含有裂纹的模型有着较大的区别,显然含有裂纹的模型比没有裂纹的岩石模型对岩石新裂纹的产生有较
大的影响。

预制裂纹侧面竖向单元,在相同的温度加载步数情况下,预制较宽裂纹的模型单元产生水平位移的距离较大,这也是预制裂纹越宽的裂纹尖端更容易先发生破坏的原因。

(3)岩石模型内部预制有不同倾向裂纹,在低温作用下,研究不同倾角饱和裂纹冻胀破坏对岩石新裂纹的出现、扩展规律变化。

研究发现,岩石模型不论内部裂纹倾向多大,在发生完线弹性变化后,都会出现声发射集中出现的脆性破坏现象,此时模型水平应力达到最大值,之后立刻降至零点附近;同时对比声发射图发现,随着倾角的加大峰值应力呈现减小的趋势,声发射累计数量也逐渐减少,完成裂纹贯通破坏的温度荷载也在减少;模型竖直位置处的单元水平位移会随着预制裂纹倾角的加大而逐渐增大。

综合以上信息可以知道,岩石中裂纹与温度作用面的夹角越大,在相同温度作用下岩石更加容易发生破坏。