文摘
岩体多相材料含有大量的不连续,和自然岩体的失败引起的裂纹扩展和聚结不连续,尤其是对周围岩体隧道或地下空间。因为裂隙岩体的变形或破坏过程表现出强烈的非线性特性,它也很难预测岩体的强度和失效模式。因此,它是非常必要的研究裂隙岩体的破坏机制在不同的压力条件下。除了压力条件下,断层几何也显著影响裂隙岩体的力学行为。实质性的,实验和数值的努力一直致力于研究裂纹萌生,传播和聚结的岩石或如磐石般坚韧的标本包含不同类型的关节或裂缝。本文的目的是讨论的发展和贡献的实验测试和数值模拟故障行为有节的岩石或如磐石般坚韧的标本。总的来说,本文可以分为三个部分。它首先简要解释的意义研究这些话题。之后,实验和数值研究强度、变形、裂隙岩石或如磐石般坚韧的材料和故障特征进行讨论。
1。介绍
经过数亿年的地质运动,有大量的天然岩体的不连续性。天然岩体显然是一种异质性材料(1),和不连续性影响岩体的力学行为。在大多数工程情况下,如巷道开挖、岩石边坡,和柱子在深部开采活动中,常常需要的力量和故障特征的估计一个包含大量不连续岩体(2- - - - - -5]。,许多工程灾害与既存的关节之间的裂纹萌生和传播密切相关(图1)。例如,Malpasset拱坝的崩溃(法国)岩石的裂纹扩展的结果bam的基础。,也有很多挖掘活动必须面对岩体裂纹扩展和聚结。然后,它是非常必要的调查裂隙岩体的强度和故障特征。同时,裂纹萌生、传播、和故障特征最感兴趣的工程师和科学家。
(一)
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本文集中于实验技术贴合自然岩石或脆弱如磐石般坚韧的材料的力学行为。所有文献作者(总共196引用)关于这个话题被广泛地查阅。本文以以下方式结构。”介绍,“合成后,分析和评价了部分2。节3加载技术进行了讨论,为每个加载模式,试样的力学特性有不同的接头几何参数也被讨论。部分4了广泛应用数值模拟技术对裂纹萌生、传播和破坏过程的岩石或如磐石般坚韧的材料。最后,简要总结和提出了一些前瞻性研究。
2。实验材料和样品制备
近年来,裂隙岩体的破坏行为已经被学者广泛研究,并实验测试是最常见的方式。到目前为止,许多类型的材料用于这些测试。我们都知道,理想的实验材料是天然的石头。,有很多种岩石已被应用于以前的研究,如花岗岩、砂岩、大理石(表1)。如图2标本是由天然岩石。标本是开放的裂缝,裂缝是通过高压喷水切割方法。
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除了自然岩石,多种如磐石般坚韧的材料也被学者们广泛使用,如玻璃(7哥伦比亚树脂),39 (8),和模制石膏9- - - - - -16];其中最常见的是石膏和水泥砂浆(表1)。使用水泥砂浆由于标本的主要框架由沙子和水泥,沙子可以提供造型材料的摩擦行为。然后,水泥砂浆适用于岩体造型。与水泥砂浆相比,失败的飞机上的摩擦行为是隐性的。
对于大多数如磐石般坚韧的材料样本,裂缝或关节主要是手工制作的。在数据3(一个)- - - - - -3 (c),开放裂缝在PMMA、石膏和水泥砂浆试样,分别。在样品制备,先前存在的裂缝是由金属板插入裂缝的新鲜的混合物在所需的位置和删除后变得坚硬如磐石般坚韧的材料。
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同时,先前的研究中,封闭裂缝或关节也可以由学者们通过不同的方式。在图4(a),无处不在的关节由云母片插入新的水泥砂浆所示(20.]。使用的云母板也被其他学者研究裂隙岩体的破坏特征(21]。由于云母板的强度和相对较低的云母板之间的接口和迫击炮,云母板适用于造型关节可以塞满了泥土。在图4(b),关闭裂隙由钢板插入显示了砂浆(22]。在制备过程中,钢板被精心养护约±5分钟后,然后,进一步扩张的石膏混合固化封闭槽,从而创造既存与封闭的表面裂缝。,获得裂纹表面粗糙度不同,三种不锈钢表粗糙度。像图中所示的裂缝4(c),平台封闭裂缝是由插入录像带带(23]。模具的视频胶带拿出30分钟振动后,石膏足够柔软,可以扩大来填补留下的空白带。此外,而不是退出,一些学者也试图通过留下镀锌表创建封闭关节的混合物(24]。实际上,镀锌铁皮的僵硬是远远低于如磐石般坚韧的材料。由于界面相对平滑,界面上的幻灯片效果也明显;它类似于云母sheet-mortar接口。
3所示。故障特征的裂隙岩石或如磐石般坚韧的材料在不同的加载方法
3.1。单轴压缩加载
单轴压缩加载是最常见的负载模式在以前的作品。在许多工程情况下,岩体发生故障时从轴向载荷下的裂纹合并。在图5支柱的失败,两个斜裂缝之间的合并。很明显,先前存在的裂缝强度有很大的影响,岩体的变形和失败特征。为了更好地理解工程岩体的破坏过程,实验研究集中在有节的标本,包含现有的关节。
样品单关节或裂缝,在单轴加载下,两种类型的裂缝从先前存在的裂缝将启动,即机翼和二次裂纹7,28,40,92年,101年,102年]。进一步的加载,新裂缝传播,达到标本的边缘,导致整体的失败。在图6从先前存在的缺陷,各种裂纹类型发起了杨et al。28和黄和爱因斯坦43)所示。此外,大量的实验努力说明裂缝具有类似特征的标本与单一裂隙(10,11,34,77年,78年,99年,103年- - - - - -105年]。
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除了单一关节,聚结模式之间的裂缝已通过实验测试和调查。包含两个或三个骨折标本,一些研究集中在裂纹平行裂缝之间的聚结(12,14,18,22,23,40,82年,101年,106年- - - - - -112年]。在数据7 (b)和7 (c)从黄和爱因斯坦,实验结果15]和Sagong Bobet [14)所示,分别。黄和洲22]介绍了九种不同类型的聚结在两条平行的裂缝(图模式7 (c))。总的来说,合并模式主要集中于拉伸模式,剪切模式和混合模式。拉伸或剪切模式,合并结果拉伸或剪切裂纹扩展和连接。然而,对于混合模式,结合拉伸和剪切裂纹。与此同时,有很多种组合。
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无法匹敌的裂缝,李和全17]调查两个无法匹敌的裂缝之间的渗透模式通过使用PMMA, Hwangdeung花岗岩,Diastone。无法匹敌的裂缝都是通过喷水系统。无法匹敌的裂缝是水平裂缝和斜裂缝下面,和斜裂缝的倾角30°-90°15°间隔。在单轴压缩加载下,聚结发生主要通过拉伸裂缝或拉伸和剪切裂缝(图8)。此外,裂纹萌生和聚结应力进行分析。结果表明,水平裂缝的屏蔽效应中发挥着重要作用的压力,和压力达到一个临界点,当倾角60°。
除了上面提到的文献,也有其他学者调查进行的实验室检测标本的失败行为无法匹敌的裂缝。Zhang et al。69年]研究裂纹合并两个非平行的缺陷;观察五种链接之间的两个缺陷:拉伸裂纹链接,提示拉伸与剪切裂纹连接聚结,剪切裂纹连接,混合连接,和间接联系。使用摄影监控和声学排放监测技术,杨et al。113年]研究了实时裂纹合并过程之间的关系和轴向应力行为包含两个无法匹敌的的红色砂岩裂缝。
除了研究并行或无法匹敌的骨折,multifissure标本单轴载荷作用下的力学行为也在文献中讨论。如上所述,两种类型的裂缝开始从裂缝的建议。进一步的加载,新裂缝传播和链接与他人形成整体的失败。在前面的研究中,多种联合几何也认为,如联合倾向天使(53,71年,80年,88年),联合距离(53,71年,80年,88年),和重叠距离(88年]。曹et al。53)进行实验室测试岩石物理模型与非持续的关节。标本是由水泥砂浆,尺寸(高度宽度厚度)是200150年30毫米。标本的先前存在的裂缝是由金属垫片插入新的砂浆和删除它后它变得坚硬。有四种标本的倾斜角度:25°、45°、75°、90°。为每一个角,裂缝数量在5单位增量变化从5到20。实验测试结果表明,试样的强度随节理倾角的增大而增大,随裂隙数量的增加而减小。此外,标本的失效模式可以分为四类:混合失败,走路径失败,剪切失效,完整的失败(图9)。
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标本的不同倾向,杨的88年)结果表明,裂隙岩体在联合定位的重要依赖,和四种故障模式识别:拉伸断裂穿过节理面,沿节理面剪切破坏,沿节理面拉伸断裂,完好无损材料的失败。无处不在的联合,曹et al。20.]通过实验确定了四种类型的失败模式如磐石般坚韧的标本,多个连接的失败模式标本包括加强路径失败,平面失败,shear-I失败,shear-II失败(图10)。
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3.2。双轴、三轴加载
如前所述,有节的岩石的破裂过程或如磐石般坚韧的材料已经被学者全面调查。然而,围压也有很大的影响对裂隙岩体的力学行为。失败的行为考虑围压,实验研究已经通过双轴或三轴加载。Bobet和爱因斯坦(11]研究了石膏试样的断裂合并两个开放或关闭先前存在的裂缝在双轴压缩。测试显示翼裂纹出现在无侧限和略在压缩加载和完全消失在高围压压力。Mughieda和Karasneh61年]研究裂缝之间的合并模式通过一系列的双轴压缩试验如磐石般坚韧的标本。尺寸(高度宽度63.5每个试样的厚度)27.920.3厘米(图11)。既存的关节的几何参数包括联合倾角α和桥梁倾角β;使用了三种横向压力:0.35 MPa, 0.7 MPa, 1.5 MPa在每个标本。双轴载荷作用下,三种类型的聚结模式既存的关节之间的观察:拉伸,剪切,剪切和拉伸+聚结。
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领域和1月52)包含multifissures如磐石般坚韧的标本进行了双轴实验;尺寸(高度宽度每个标本是300的厚度)150年50毫米。四种联合几何参数被认为是:持久性(k)、空间(lr/d)、倾角(β)和重叠角(γ)。实验结果显示,三种基本失效模式:通过平面表面失败,失败了,失败的旋转(图新块12)。此外,有节的试样的强度和变形与失效模式有关。具体而言,平面的标本失败,走展品更高的强度和破坏应变小。然而,转动失效模式与低强度和大变形有关。
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三轴压缩,主要有两种类型的加载方法,通过一个压力或位移边界条件(114年]。如图13常规三轴试验,标本是圆柱形,把内部静水压力的加载压力室和各向同性的使用各种限制液体(如空气,水,和液压油)。
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黄等。39]对砂岩进行了常规三轴压缩实验标本闭着两个不重叠的裂缝。如图14四种类型的砂岩试样进行了测试。封闭裂缝,此外,为了形式的混合水,水泥,沙子被用来填补裂缝。测试结果表明,该安排的裂隙的变形有重要影响,力量,和失败的模式标本。的应力-应变曲线与完整标本(类型图14甲流),曲线获得从precracked岩石标本表现出明显的波动,尤其是对D型图14。B型的应力-应变曲线表现出Z-shape特点和显示双峰应力。此外,裂缝几何的影响大于围压。此外,压力对裂纹萌生,扩张,有节的砂岩的峰值强度明显低于完整岩石标本。
利用实验和PFC (3 d),挂et al。115年]研究了常规三轴压缩下的岩石内部损伤行为测试。如图15,有两个无法匹敌的裂缝在圆柱形标本(直径50毫米和100毫米高度)。,四种围压力被认为是:0 MPa, 5 MPa, 15 MPa, 25 MPa。结果表明,裂纹演化和故障特征依赖于裂缝几何和围压。同时,当围压较低时,试样的失效模式主要受裂隙几何。当围压高,围压对失效模式的影响大于裂隙的几何。
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然而,对于真正的三轴压缩,很少有研究关注于裂隙或关节的标本。大多数的文献集中在完整岩石真三轴压缩下的力学行为。陈和冯116年)进行真三轴卸荷试验新花岗岩标本,和岩石三轴强度也被讨论。卸货,小主应力,Du et al。117年]研究了真三轴强度和失效模式的立方岩石标本(图16)。三轴测试已经进行花岗岩,砂岩,水泥砂浆立方标本。在真三轴卸荷条件下,试验结果表明,立方岩石的强度和失效模式标本受到中间主应力的影响。标本的最终效果似乎没有发挥重要作用强度和失效模式下立方标本的三轴测试。坚硬的岩石,当增加一个临界值,试样的断裂角从剪切剥落故障可能会改变。然而,对于中等强和弱的岩石,他们表现出剪切破坏大量的塑性变形。
3.3。张力加载
张力加载,有两种类型的标准方法:直接张力(118年,119年)和间接张力(119年,120年)测试。而且,这两种方法建议ISRM和ASTM确定岩石材料的准静态抗拉强度。裂纹萌生的张力载荷作用下,巴西拉伸试验是最常见的在以前的作品。Khanlari et al。121年对层状砂岩]巴西进行拉伸测试调查裂隙岩体的抗拉强度和失败模式下张力加载。李等人。122年]研究了加载方向的影响破坏载荷及失效模式巴西测试有节的煤岩。用实验和数值模拟的结合,Haeri et al。62年调查了裂纹扩展和聚结在如磐石般坚韧的磁盘。有两种连接标本由薄金属苗条插入新的砂浆。标本的一个裂缝,裂缝的宽度和厚度是30毫米和1毫米,分别。先前存在的裂纹的倾向是0°15°、30°、45°,60°、90°。double-cracked标本,裂缝的宽度和厚度是20毫米和1毫米,分别。一个在横向裂纹,另一个是面向不同的角度对水平(0°30°、60°、90°)。测试结果表明,裂缝方向对破坏载荷有很大的影响。在图17precracked标本的失败模式在巴西拉伸试验。裂纹开裂,裂缝方向对裂纹开裂角有很大的影响。之间的合并模式,裂缝主要是拉伸模式。
间接拉伸试验相比,由于偏差和应力集中在测试期间,直接张力测试很难执行。但是,很少有人用这个方法研究裂隙岩石的失败行为或如磐石般坚韧的材料。杨et al。123年)进行了单轴拉伸实验precracked如磐石般坚韧的标本(图18);试样的强度和失效行为进行了分析和讨论。结果表明,裂缝几何参数包括裂缝倾角、裂缝间距、裂缝强度,产生重大影响的强度和失效模式样本。
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3.4。剪切加载
正如上面提到的,裂纹萌生、传播、和故障特征的有节的岩石或如磐石般坚韧的标本已被许多学者研究。与抗压测试相比,相对较少的实验调查的模式完成裂纹合并直接剪切载荷作用下(67年,68年,83年,84年,124年- - - - - -129年]。剪切荷载作用下,裂隙岩体的破坏行为是不同的,在压缩。Lajtai [124年,125年)进行直接剪切试验与非持久的裂缝,如磐石般坚韧的标本和试验结果表明,随着法向应力失效模式变化。与此同时,他还提出了一个复合破坏包络线来描述强度的变化。Savilahti et al。126年]研究贴合的失败行为如磐石般坚韧的标本直接剪切载荷作用下,和联合分离和重叠的影响失败行为的有节的标本进行了分析。Sarfarazi et al。67年]研究了联合重叠的影响的全面失败行为岩桥的直接剪切试验通过结合实验测试和数值模拟。四种标本检测;韧带长度都是保持在45毫米,韧带的角度为0°,25°、90°和115°,分别。在测试期间,正常压力设定在0.1 MPa,和失败的试验结果表明,压力降低而增加韧带的角。在图19韧带,试样的失效模式有不同的角度和大多数标本失败从拉伸裂纹的传播。
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故障特征的标本与multifissures直接剪切载荷作用下,关节间歇性的破碎和剪切行为(图20.)已经被Gehle调查和库特83年]。结果表明,试样的失败可以分为三个阶段;几何参数和加载条件下被发现在每个阶段影响激活剪切阻力。此外,管理不同剪切阶段的机制可以确定为(1)拉伸断裂,(2)滚动和滑动摩擦的膨胀变形的关节区,和(3)内滑动角砾组成的联合充填材料。
除了直接剪切荷载外,还有另一个剪切试验方法,即限制剪切试验。在这个加载,压缩负荷和增加剪切试样上的负载增加的负载P。它可以用来研究裂隙岩体的破坏过程压缩和剪切环境,尤其是对岩石边坡的岩体。在图21岩石边坡的失败了。
(一)
(b)
实际上,有相对较少的学者进行实验来研究裂隙岩体的破坏过程限制剪切载荷作用下。Zhang et al。21)的力学行为研究如磐石般坚韧的标本混合缺陷,和力量,碎片,讨论了分形性质。混合缺陷,边缘切口缺陷的长度和嵌入缺陷是10和30毫米,分别。嵌入缺陷变化的倾向从0°- 90°的增量15°。此外,随着两种剪切角(45°和60°),有节的标本被加载compressive-shear载荷作用下,直到失败。基于实验结果,三种不同模式的拉伸和剪切裂缝裂缝观察(图22)。与此同时,人们已经发现,抗剪强度是一个函数的缺陷几何和shear-normal应力比。
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3.5。循环加载
最近,循环加载,在文献中大多数研究都集中在完整岩石的力学行为或如磐石般坚韧的材料在循环载荷下。基于实验测试,应力-应变曲线的滞后已经显示(131年- - - - - -134年]。同时,完整的试样的疲劳强度和变形也被学者研究,结果表明,动态强度和弹性模量降低指数随周期的增加(135年- - - - - -139年]。
正如上面提到的,联合或先前存在的裂缝有重大影响岩体的破坏行为。有节的岩石的动态响应不同于他们的静态属性,和裂隙岩体的力学行为也被学者研究。先前的研究[140年- - - - - -142年)报道,有节的岩体非常敏感的循环加载和联合确认有重大影响的动态强度和变形行为。Erarslan和威廉姆斯(143年]对斜裂缝进行了静态和循环荷载试验雪佛龙取得巴西圆盘(CCNBD)标本,和失败的实验结果表明,负载通过循环荷载减少30 - 45%的静态加载。刘等人。63年)执行循环单轴压缩试验在贴合如磐石般坚韧的标本,并联合倾角等几何参数的影响,持久性,密度,在力学性能和间距间歇性有节的标本进行了调查。试验结果表明,有节的岩石在循环载荷下的应力-应变曲线是由单调单轴载荷下的曲线。与此同时,在交变载荷下,两种类型的裂缝观察有节的标本。具体而言,剪切裂缝主要发生在较高的标本联合倾角或更高的持久性。
4所示。数值模拟
与原位测试和实验室测试相比,数值模拟是一种经济实用的方法来模拟裂隙岩体的破坏过程。近年来,许多数值方法已被广泛应用于岩石力学和岩石工程。其中包括有限元法或XFEM [144年- - - - - -151年),英国152年- - - - - -155年],NMM [156年- - - - - -158年),平滑粒子流体动力学(159年- - - - - -162年],PFC (17,163年- - - - - -172年]。总的来说,大部分的数值结果表明与实验结果良好的协议。
4.1。有限元法或XFEM
基于有限元法(FEM)和非线性动力学方法,李和黄173年)研究了倾角的影响和加载条件对裂纹萌生和传播。数值结果表明,加载条件影响和整体裂纹裂纹萌生序列模式。在加载速率相对较低或一小级最大加载压力,拉伸裂纹首先出现。然而,在一个相对较高的加载速率和一个大震级最大加载压力、剪切裂纹会发生第一次(图23)。
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(b)
封闭裂缝,谢et al。174年]使用XFEM探讨裂纹萌生和传播与封闭裂缝如磐石般坚韧的材料在单轴压缩下。数值模拟结果表明,(1)标本30°、45°倾角角度,次要影响裂纹表面摩擦施加于裂缝周围的应力分布,以及效果更明显60°倾角时(图24);(2)当倾角45°,裂纹扩展的最有利的价值;(3)摩擦似乎只扮演一个次要角色的起始位置和角翼裂纹,但摩擦传播长度有很大的影响。
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RFPA2D是由东北大学,中华人民共和国,它可用于模型的进化在脆性材料的损害允许线性弹性元素失败脆弱的方式。近年来,这种方法已被用于造型进步失败在岩石或连接如磐石般坚韧的材料。基于RFPA2D,唐和口145年)提出了两种特殊情况下裂纹扩展和聚结在脆性材料(模型包含一排小缺陷和几大缺陷和模型包含随机分布的异同,如图25)。数值结果表明,在轴向压缩下,翼裂纹发生的技巧既存的缺陷,发生和传播的方向最大的远场压缩。同时,先前存在的缺陷之间的合并可能在拉伸,剪切和拉伸/剪切模式的组合。围压,裂缝变得稳定。然而,横向拉应力在裂纹扩展有显著影响;即使是很小的值将导致不稳定的增长。标本含有一粒规模的异同,数值结果表明,故障特征强烈依赖于机械和几何性质的谷物和夹杂物。的失败行为有节的标本在轴向压缩下,唐等人也进行了类似的通过RFPA2D数值研究,如裂纹合并如磐石般坚韧的材料(包含三个缺陷108年];数值结果也显示与报告实验结果定性相当好的协议。黄等。175年]利用RFPA2D数值模拟进行研究脆性岩石中分裂失败包含关节单轴压缩载荷作用下打开。的影响,先前存在的联合长度翼裂纹扩展进行了研究。
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除了轴向压缩,RFPA2D也可以用来研究裂隙试样剪切载荷作用下的破坏过程。Zhang et al。176年)研究了岩石标本的剪切行为与几个断断续续的关节(图26)。基于数值模拟,整个故障过程和故障模式。剪切荷载作用下的失效模式,这主要是受节理几何参数,和试样的抗剪强度与故障模式。此外,联合分离和方位角影响翼裂纹扩展,和翼裂纹主导整个标本的失败。此外,结果还表明,macroshear裂纹microtensile损伤积累的结果。
黄达et al。31日使用ANSYS AUTODYN-2D和调查了三种类型的裂纹萌生和传播precracked砂岩常规三轴压缩下标本。在图27数值和实验结果之间的比较。聚结模式在数值结果显示了一个伟大的协议与实验结果。结果还表明,裂纹萌生压力、临界压力膨胀,峰值强度precracked标本远远低于比完整的岩石。与此同时,他们随围压的增加而增加。
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4.2。民主党
近年来,民主党已经被学者广泛使用的模型有节的岩石的破裂过程或脆如磐石般坚韧的材料。民主党经历了几十年的发展,各种各样的民主党近年来软件如雨后春笋般涌现,如土坡/ 3 d和3 dec模拟。裂纹萌生和传播,PFC已经被学者广泛接受,数值结果与实验结果显示一个伟大的协议。
基于并行债券模型在土坡,Zhang et al。177年)研究了单轴压缩载荷下的裂纹萌生和传播。数值模拟结果表明,关节有很强的倾向影响裂纹萌生和传播行为。力和位移,通过分析平行键字段,裂纹萌生的位置已被确认。此外,两种类型的位移场,即I型(DF_I)和II型(DF_II),提出了区分拉伸裂纹和剪切裂纹(图28)。在图19,两种位移场与不同的微裂缝过程。I型(DF_I),如果两个位移趋势线互相分化有非常有限的相对剪切运动,相对拉伸位移发生在该地区居多。II型(DF_I),如果两个位移趋势表现出相对拉伸位移和剪切位移之间的地区。债券模型,基于平行裂纹萌生,传播,合并两张裂缝进一步调查了et al。111年]。李和全17)研究了裂纹萌生、传播和单轴压缩下无法匹敌的裂缝之间的合并。裂纹萌生的关系,聚结,破坏应力和裂缝倾角的单引号和双裂纹进行了分析。
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除了开放或封闭裂缝的标本,multifissure标本的失败特点也进行了广泛的文献讨论。曹et al。53)使用土坡模型的失败行为multifissure试样在单轴压缩下,和裂缝几何参数如倾向(α)和付家号码(Nf)考虑在内。根据数值结果,裂隙的影响几何multifissure标本讨论的峰值强度。具体而言,峰值强度倾角的增加而增加。材料强度是最低25°倾角,和最高为90°。的影响Nf在峰值强度取决于α。为α= 25°、45°,Nf对峰值强度有强烈的影响,而对于高α值,特别是对于90°样本,没有明显的峰值强度的变化与不同Nf值。同时,失效模式的模拟结果也很好地与实验结果一致。
风扇等。172年]美元PFC3D调查macromechanical行为连接块multi-nonpersistent关节单轴荷载作用下(图29日)。联合倾向的影响、大小和联合机械性能强度、可变形性、应力-应变,研究了失效模式。仿真结果表明,该联合粒子刚度只扮演一个次要的一个重要的角色在峰值强度取决于倾角和联合密度。,联合粒子刚度扮演微不足道的角色变形模量取决于倾角和联合密度值。应力-应变曲线,他们可以进一步分为四种类型。此外,失效模式,如(1)分裂失败;(2)平面失败;(3)加强路径;和(4)完好无损材料失败发生在数值结果也与实验结果吻合较好。
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利用数值直剪试验(土坡)Sarfarazi et al。67年)联合重叠的影响调查的失败过程有节的标本。在图30.,平面非持续的关节和关节雁行非持久的数值样本所示。韧带的角度为0°,25°、90°、115°、140°,所有标本的韧带长度保持不变(18毫米)。此外,关节边缘切口的长度是21日,21.8,24.2,33.8,和36.9毫米的韧带角度0°,25°,50°、90°、115°和140°,分别。仿真结果表明,岩桥失去能力当近50%总在岩石裂缝发展的桥梁。此外,仿真结果还表明,在岩桥macroshear失败结果microtensile集群的裂缝。
(一)
(b)
基于离散单元的软件模拟,范盖拉et al。178年]研究了岩石的力学行为包含平行非持续的关节(图31日)。,结果显示较大的各向异性强度造成的变化的共同取向和低强度的标本是由骨折属于平行联合集的聚结。
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金等。179年)使用3 dec软件模拟各向异性力学行为下的柱状节理玄武岩压缩(图32)。结果表明,不同的主要关节角,有节的标本展览不同的力学性能在围压的存在。的主要关节发挥重要作用的各向异性裂隙试样。同时,发现增加围压可减少柱状节理的影响明显的各向异性力学性能。
4.3。FEM-DEM
作为一种非均质性材料,天然岩石含有裂缝和破碎过程限制continuum-based模型,模型的适用性的失败行为自然岩体岩石工程。为了解决或改善这些限制,Munjiza et al。180年)提出了有限离散单元法(FEM-DEM)。FEM-DEM方法,离散元素已经被discretised成有限元素。指出有一个有限元网格与每个离散元素有关。然后,通过有限元素计算连续行为,discontinuum行为被认为是基于离散元素。FEM-DEM方法也一直被学者们用来研究裂隙岩石的破裂过程在不同的加载条件下(181年- - - - - -184年]。
例如,Lisjak et al。182年)使用了有限离散单元法(FEM / DEM)模型分层材料的力学行为(图33),结果也证明了有效性的有限离散单元法模拟短期Opalinus粘土的力学响应。
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4.4。其他数值方法
连续的快速拉格朗日分析3 d(露天)也已被学者探讨有节的岩石中裂纹萌生和传播或如磐石般坚韧的材料(98年,185年- - - - - -188年]。例如,基于FLAC3D软件,傅et al。98年)提出了一种新的模型到模型的裂纹萌生和扩展elastic-brittle 3 d裂隙。单轴和双轴数值结果显示一个很好的与实验结果的一致性。在数据34(一个)和34 (b)、3 d视图的单轴加载和双轴载荷作用下裂纹扩展过程,分别显示。具体而言,在单轴加载下,次生裂缝都是翼形成裂缝和precrack主要轴的两端。双轴载荷作用下(外侧压力峰值应力的20%),少数antiwing裂缝出现。因此,只有在高侧压力,antiwing裂缝就会出现。
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结合最大拉应力准则和莫尔-库仑准则,基于扩展nonordinary状态peridynamics已被用于建模开始,传播,聚结的有节的岩石抗压载荷下王et al。189年- - - - - -196年]。不同类型的裂缝包括翼裂纹、斜二次裂纹,quasi-coplanar次生裂纹,antiwing裂纹建模和杰出的方法,数值结果显示一个伟大的协议与以前的实验(图35)。
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(c)
(d)
Pramanik和Deb et al。161年)使用的一种方法是开发的SPH框架研究岩石材料的破坏行为包含多个不连续或关节。在这种方法中,关节是由一组粒子在关节的位置。同时,基于Drucker-Prager屈服准则,free-sip, no-sip,对称边界条件也实现这个方法。在图36试件的破坏模式与不同的共同倾向,显示了与数值结果有很好的一致性得到的理论结果。数值方法的有效性是成功地证明了在单轴和重力加载条件下两个样品。此外,该方法还表明承诺模型三维裂隙岩体的破坏过程。对于这种方法,更多的例子讨论了在以前的作品(159年- - - - - -162年]。
(一)
(b)
姚明et al。(197年)提出了一个扩展的刚性块弹簧方法(RBSM)模型各向异性岩体的伤害和失败。在这种方法中,界面之间的拉伸断裂发生在正常的压力达到抗拉强度。然而,剪切破坏是由非线性准则描述当地的正常和剪切应力。在图37岩体的破坏模式不同围压下。数值结果表明内在层面和围压有显著影响岩体的宏观力学强度和失效模式。此外,数值结果与典型实验数据吻合较好弹性性能和机械强度。孟et al。198年- - - - - -201年)制定的一系列离散数值力学模型作为标准二阶锥项目。先进的优化算法可以用来解决这个问题。需要注意的是,可以使用纯静态离散单元法。此外,硬球和soft-sphere离散数值模型可以恢复。
值得注意的是,除了上述数值方法之外,还有其他方法由学者和被用于模型的岩石破裂过程或如磐石般坚韧的材料。然而,他们不能列出所有在这里。
5。结论
不连续有很大的影响岩体的力学行为,并加载下,失败自然岩体裂纹扩展的结果和聚结在岩体。与完整岩石相比,贴合或裂隙岩体通常表现出较弱的和高度各向异性力学特性。
实验结果表明,该联合确认参数有显著影响岩体的力学行为。有节的岩石的强度参数降低关节数量的增加,长度和持久度。同时,有节的岩石的强度通常有最低的价值倾向约45°。有节的岩石的失效特点,关节之间的聚结包括拉伸、剪切、混合模式。
数值模拟已被视为一种经济实用的方法,也被许多学者所接受。与有限元法或XFEM相比,民主党在裂纹萌生和传播展示出强大优势。近年来,民主党已广泛用于模型的失败行为有节的岩石或如磐石般坚韧的材料,而且大部分的数值与实验结果有很好的一致性。此外,其他类型的数值方法如NMM smoothed-particle流体动力学,peridynamics, RBSM也被成功地应用于裂隙岩石的破坏过程分析。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本文收到项目支持资金由中国国家自然科学基金(号。11772358,51774322,51474249),湖南省自然科学基金(2018 jj2500),空间信息技术工程实验室开放基金湖南公路地质灾害预警(长沙科技大学)(Nos. kfj70603, kfj170407,和kfj170406),和在中国陕西省自然科学基础研究计划(2018 jq4015)。作者要感谢这些支持。