文摘

理解复合岩层的变形失效行为对地下工程建设具有重要意义。基于单轴压缩实验测试标本的复合岩层包含漏洞,粒子的微观参数离散单元模拟首先校准。然后,力学性能和复合岩层破坏特征的基础上,研究了不同围压下有洞。结果表明,不同的倾斜角度和围压有显著影响的峰值强度和弹性模量的标本。在相同围压下,峰值强度和弹性模量降低,然后增加增加倾角。倾角不变,峰值强度和弹性模量与围压的增加逐渐增加。这表明第一个区域在复合岩层破坏转移从软岩与倾角的增加坚硬的岩石。随着围压的增加,拉伸应力集中区域范围大幅降低,而抗压应力集中区域的范围变化更少。

1。介绍

地下工程技术的进步,越来越多的隧道被修建在深复杂岩层(1- - - - - -3]。深隧道的过程中,交替软、硬复合岩层经常遇到。复合岩层的力学性能和失效行为明显不同于均质岩石。因此,复合岩石标本包含漏洞的研究具有重要的工程指导意义的岩石工程的安全与稳定。

工程规模,学者们进行了各种研究在复合岩层隧道。Zhang et al。4)进行了模型试验的深埋地下的隧道在复杂岩层,结果表明,有显著差异的演变和分布特征在不同岩层的位移和应力。黄等。5)进行了物理模型试验研究薄弱的影响州际公路上室的围岩的稳定性。吴et al。6,7]研究了喷射混凝土的特点,分析了其对隧道围岩稳定性的影响,提出了和收益率的方法支持。林等。8)调查的失败行为隧道习近平II水电站通过地质模型测试,和高地应力下的应力和位移变化规律。刘等人。9)进行了单轴压缩试验在坚硬的岩石标本含椭圆孔和裂缝,四个失效模式的岩石桥梁已经确定。吴et al。10)采用一种改进的蠕变力学模型来预测隧道围岩的位移。

学者也进行了深入研究机械性能和宏观失效行为包含洞在实验室规模的标本。如果et al。11立方)进行了一系列的真三轴试验标本含有圆孔,和结果表明,故障发生在中间部分两边的洞,然后迅速发展到深的部分,最后形成两个对称的v型裂缝。周et al。12)进行了单轴压缩试验与四种蛀牙,坚硬的岩石和孔的形状的影响岩石力学性能和断裂故障的演化进行了研究。吴et al。13)进行了一系列的单轴压缩试验使用数字图像技术、声发射研究力学性能、故障特征和断裂特性的标本cross-excavation形成黑洞。Maji和沙14)进行了一系列的混凝土单轴压缩试验和两个圆孔和柱状混凝土填充物进行压缩;最后,发现开裂总是在馅料的接口开始。杜et al。15坚硬的岩石进行单轴压缩试验和高强混凝土有两个洞,然后所有的最终失效模式标本分为tension-shear混合故障和剪切破坏。Fakhimi et al。16)进行了双轴压缩测试包含预制圆孔硬岩石上,和在失败过程中声发射特征调查。的变形和破坏规律有节的标本与预制圆孔根据Sagonget双轴压缩进行了研究。艾尔(17]。程等。18]研究了复合岩石的影响下降的机械性能和宏观破坏模式标本通过压缩试验。邓et al。19)进行加载测试与不同层理砂岩单轴和三轴条件下倾斜角度、层面的影响岩体的力学性能和失效模式研究。

数值模拟是一种有效的工具来研究地下岩体的开挖工程。许多学者通过数值模拟获得了大量的研究成果。冯et al。20.]使用连续的有限差分软件快速拉格朗日分析三维(露天)来分析主应力的演变当Munigou隧道开挖期间穿过软、硬接触区。他们发现,当地应力集中效应控制的软岩隧道大变形。杨et al。21)模拟隧道开挖和支持在一个斜上软下硬岩层和通用离散单元代码(模拟),和围岩应力和变形的变化规律进行了分析。王等人。22)使用粒子在二维流代码(土坡)的压力和位移矢量分布特征研究复合标本孔和裂缝的两倍。双轴测试是在广场上进行标本与循环室与岩石破裂过程分析RFPA软件,这种破坏过程和影响因素,讨论了岩石朱出版社(23]。侯et al。24,25]研究裂缝的复杂性的影响,空气压力,和其他因素对页岩气流量;然后,致密岩石标本的故障规律是通过数值模拟获得的。梁(26)等人提出了启动和扩大法律的作用下的岩石裂缝水和氮。Zhang et al。27]讨论了巷道的稳定性控制方法工作面附近的驾驶,并通过数值模拟获得的应力变化。

尽管许多先前的研究一直在进行钱伯斯和隧道复合岩石条件下,然而,由于复杂的围岩发生在地下工程的开挖,钱伯斯和隧道的围岩常与不同岩性岩层组成的。与此同时,由于实验室测试条件的限制,以往的研究大多集中在单轴压缩试验,这是非常不同于高围压环境工程岩体的深。本文基于复合岩层的单轴压缩试验在实验室有洞,土坡软件用于进行双轴压缩试验的标本复合岩层有洞在不同倾斜角度、岩层倾角的影响和围压的力学特性和失效模式标本进行了研究。

2。数值模拟建立

2.1。简要介绍实验室的实验

软岩和硬石材料取自Renshou县,四川省,矿物成分主要是石英和长石(28]。岩石试样的物理力学参数如表所示1。复合岩石标本由粘软岩和硬摇滚,和的大小广场标本 。然后在样品的中心钻一个洞,直径40毫米,和最后的样品如图1(一)。

2.2。校准Microparameters的数值模拟

建立的数值模型土坡是刚性粒子的集合,由焊接粘合在一起。在仿真过程中,粒子的运动遵循牛顿第二运动定律。之前的研究表明,平行粘结模型更适合模拟如磐石般坚韧的材料(29日),采用平行粘结模型模拟。接触粘结模型中的债券行为只在一个无限小的两个粒子之间的接触点,只能转移部队,而债券在平行粘结模型作用于一个有限大小两个粒子之间的圆形截面和可以转移部队和时刻30.,31日]。根据实验室测试,150毫米×150毫米的数值模型是建立在土坡,如图1(b)。单轴压缩标本模型第一次被建立,和软岩和硬岩的微观参数校准的“试错”的方法基于单轴压缩试验数据表1。最后获得的微观参数如表所示2。

3所示。单轴压缩下仿真结果

复合岩石的应力-应变曲线标本含有孔在不同角度( ,30°、60°、90°)数值模拟图2。它可以从图2的曲线土坡仿真获得的应力-应变曲线没有初始压实阶段。这是由于颗粒之间的接触的数值模型相对均匀,致密,没有关闭微裂隙或缺陷在负载。峰值强度和弹性模量,综合的比较与角度不同的岩石在单轴压缩下岩石标本实验室检测和土坡模拟图3。透露,这两个实验和仿真得到的峰值强度和模量降低,然后增加增加的岩层倾角,以及它们之间的差异很小。

最终失效模式模拟结果包含漏洞的复合岩石标本在不同倾斜角度与实验室测试结果图4。当标本的倾角为0°,生成大量微裂隙软岩地区。软岩地区的失败程度大于的坚硬的岩石区域,形成一个v型断裂带。随着倾角的增加到30°,大量微裂隙的生成沿结构面附近的软岩,整个复合岩石标本沿结构面被剪切滑移破坏。当标本的倾角增加60°的微裂隙软岩区域右边的洞继续收集,连接,和渗透形成宏观破裂带,坚硬的岩石区域左侧形式穿透试样的剪切破裂带。分析的仿真图的最后失败标本90°倾角,可以看出,大量的微裂隙软岩地区发生和坚硬的岩石区域,形成一个x形剪切破裂带。标本的进行比较,仿真结果与实验室检测结果一致,表明校准微观参数合理模拟复合岩石标本有洞。

4所示。仿真结果在双轴压缩

4.1。分析双轴试验下的力学性能

研究复合的故障特征与孔在不同围压下岩石标本,双轴压缩模拟试验。图5显示应力-应变曲线和裂纹的标本的数量与不同倾斜角度在不同围压下。带着样品 作为一个例子,与围压的增加,峰值强度的复合岩石标本孔从12.4 MPa提高到16.6 MPa,比上年增长34%。当标本的倾角很小( ,15°、30°、45°),应力-应变曲线峰值之前会波动。然而,对于标本与大倾斜角度( ,75°和90°),应力-应变曲线峰值强度之前不波动。这是有关岩石区域(软或硬摇滚)主要承担轴向载荷时的轴向应力。随着围压的增加,屈服阶段的应力-应变曲线变得更长,和屈服强度逐渐增加,这表明,围压的作用下,变形特性的标本从脆性破坏韧性失败。

从趋势图可以看出5标本的微裂隙的数量也显示了一个与围压增加增加的趋势。在加载的初始阶段,没有产生的微裂纹。当轴向应变的增加,裂纹开始出现。当轴向应变接近峰值应变的标本,标本产生的裂缝的数量突然增加。这是因为当轴向加载压力接近峰值强度,标本进入塑性阶段,导致不可逆的塑性变形和大量的内部裂纹。当围压从0.2 MPa提高到2.0 MPa,显微裂纹在试样的数量在同一应变减小。这表明,应用围压限制标本的横向变形,因此它是比较困难的标本失败。

图6显示抗压强度和弹性模量的变化与不同倾斜角度的组合与孔在不同围压下岩石标本。从图可以看出6(一)峰强度先降低,然后增加随着倾斜角度的增加从0°- 90°。最小和最大峰值强度出现在标本 分别和90°。图6 (b)显示了围压和倾角的影响试样的弹性模量。当标本的倾角增加从0°- 90°,弹性模量先增加,然后逐渐减少。弹性模量的最小值和最大值出现在标本的倾角30°、90°,分别。

4.2。分析宏观破坏模式的双轴试验

图7显示了最终的失效模式的复合岩石标本有洞在不同倾斜角度和围岩压力。图中的红色和黑色线条代表拉伸微裂隙和剪切微裂隙,分别。当复合岩石标本的倾角很小( 30°),微裂隙主要集中在软岩地区,只有少量的微裂隙生成在坚硬的岩石区域。当倾角45°时,样品也会产生大量微裂隙软岩地区和少量的微裂隙在坚硬的岩石地区。由于倾角的影响,债券之间的标本飞机首次打破,并沿结构面发生剪切滑移故障样本。标本的大倾角( ,75°和90°),将生成大量的微观裂缝在软岩和硬岩地区。然而,有更多的坚硬的岩石裂缝面积比软岩地区和裂纹首先出现在坚硬的岩石地区。这是由于硬摇滚轴承的轴向载荷,并具备了一定的支持对软岩的影响。因此,复合岩层洞显示一个明显的不对称断裂模式与不同的倾斜角度,和需要注意挖掘和支持隧道和室的设计条件下的软、硬岩层。

围压的作用下,复合岩层的失效模式有洞也不尽相同。至于标本小倾角( ~ 15°),标本的失败是由于拉伸和剪切裂缝的联合行动在低围压裂缝。v型剪切破坏发生在软岩地区,和拉伸断裂发生在硬摇滚区。洞内的岩体的一部分复合岩石标本开始碎裂,和剥落主要发生在软岩地区。随着围压逐渐增加,显著失效模式没有改变,但是岩体剥落的数量正在增加。这一现象表明,围压限制侧向变形的标本。当倾角来介质( 和45°),标本收集的拉伸和剪切裂缝裂缝沿倾斜方向的岩石结构面,然后沿着结构面主要发生剪切破坏。复合岩石标本 ,拉伸断裂和剪切破坏发生在一侧的软岩随围压的增加。在复合岩石标本 和75°,软岩区和硬摇滚区标本从拉伸断裂的剪切破坏随着围压的增加。倾角达到90°,标本显示了明显的在低围压、斜剪破坏和标本进行高围压下x形剪切破坏。

4.3。在双轴应力场的分析测试

图8显示了接触力的分布在洞组合与不同的倾斜角度在不同围压下岩石标本时没有发生微裂隙。接触力分布图表四0°倾角角度,30°、60°、90°是选为例子。图中的灰色和红色线表示压应力和拉应力,分别线段的厚度代表结合力的大小和方向的线段代表耦合力的方向。从结果可以看出,粒子之间的平行凝聚力的标本与岩石的变化不断发展的不同围压下倾角。

当围压较低(0.2 MPa和0.4 MPa),拉伸应力集中区域出现在洞周围的上下部分,而压应力集中区域出现在左右。随着围压的增加,拉伸应力集中区域的范围不断缩小的标本用小倾斜角度(0°和30°)。围压增加到2.0 MPa时,拉伸应力集中区域不再是明显和压应力集中区域的范围变化更少。因此,拉伸裂缝是不容易出现在上部和下部在高围压下的洞。至于标本大倾斜角度(60°、90°),拉伸应力集中区域的上下两侧洞逐渐缩小,直到它消失沿倾斜方向与围压增加。压应力集中区域的方向垂直于岩层倾角增加在坚硬的岩石方面,没有明显的变化程度的拉伸应力集中区域软岩一侧。在相同围压的情况下,拉伸应力集中区域转移到坚硬的岩石标本的倾角增加一部分。压缩应力集中区域的范围的硬岩层大于软岩边中显示了一个不对称分布。因此,拉伸裂纹首先出现在上部和下部的复合标本当围压很低。随着围压的增加,拉伸应力集中区域逐渐转移和消失,和抗压应力集中区域的左右标本将导致裂纹的一代。

连续变化的拉应力和剪切应力集中区域的复合标本都伴随着微裂隙的生成。代的差异、扩张和聚结的微裂隙导致变化的宏观破坏模式标本。因此,基于演化过程的分析颗粒间的接触力,失败的复合定律与不同的倾斜角度在不同围压下岩石标本可以透露。

4.4。位移场分析

以粒子位移矢量分布的岩石标本与孔倾角60°为例,分析了围压对开裂特征的影响,如图9。图中的箭头代表粒子的位移方向和箭头线段的长度表示位移的大小。来描述粒子的运动趋势的裂纹更生动,蓝色实线箭头正确的放大图用于描述粒子的位移方向。根据相邻粒子的相对位移矢量的方向和大小两岸的裂纹,这项研究简化和分类颗粒之间的相对位移。基于之前的研究结果(32),失效模式可以分为五种简化类型根据最终的相对位移场形式,即直接拉伸和相对强度(RT)、直接剪切(DS),相对剪切(RS)和混合故障(MF)模式。

图9(一个)显示了位移场矢量图的标本 围压下0.2 MPa。粒子两岸的裂纹位置1的标本显示RT拉伸断裂。粒子在位置2朝着不同的方向,最后呈现MF-2混合故障模式。粒子的位移在裂纹的位置3左边比右边,小,最终,DS-1直接剪切破坏发生。粒子的裂纹在同一方向移动不同的位移,以及标本经历RT-type拉伸断裂位置4以下的洞。当围压0.4 MPa和0.8 MPa时,位移场分布的样本数据所示9 (b)和9 (c)。每个位置的位移场分布图当标本破了此案为0.2 MPa相比变化不大。粒子在位置2的左上角孔仍然接受混合失败,但失败的模式已经从MF-2混合MF-1混合失败。随着围压的增加,试件的位移场矢量图1.6 MPa如图9 (d)。此时,失效模式在位置2孔的变化从左边MF-1混合未能DS-1剪切破坏。在失效模式没有显著变化位置1,3和4。随着围压的增加到2.0 MPa(图9 (e)在位置1),微裂隙洞的左下消失,和DS-1剪切破坏仍然发生在位置2。失效模式的位置3洞上面和下面的位置4洞的右边没有显著改变。

通过分析的位移场与孔复合岩石标本60°倾角在不同围压下,可以得出的结论是,不同位置的位移场标本显示出不同的变化规律。随着围压的增加从0.2 MPa为1.6 MPa, RT拉伸断裂发生在位置1左边的洞。围压增加到2.0 MPa时,拉伸裂缝消失,没有宏观生成断裂带,这表明在位置1的拉伸断裂是抑制。随着围压的增加,故障模式在左上角位置2的标本也显著改变。失效模式的混合故障的位置改变MF-2 MF-1 DS-1的剪切破坏。这表明硬岩层的拉伸断裂区转化为剪切破坏区。

5。结论

(1)标本包含孔的力学行为是明显受到倾角和围压的影响。随着岩层倾角的增加,峰值强度和弹性模量呈现先降低,然后增加的趋势,两者都达到最大值90°。峰值强度达到最小值,当倾角45°和30°弹性模量的最小值。随着倾角是常数,与围压增加的峰值强度和弹性模量逐渐增加(2)试样的宏观破坏模式是受围压和倾角的影响。在低倾角角度( ~ 15°),软岩层经常失败,围压的增加对失效模式的影响不大。标本的中等倾斜角度( ~ 45°),断裂方式由结构面控制,和shear-slip沿结构面发生故障。随着围压的增加,试样分裂的程度逐渐加深。标本的大倾斜角度( ~ 90°),因为熊的硬质岩石主要轴向载荷,坚硬的岩石区域更容易失败。随着围压的增加,剪切破坏逐渐增加(3)孔周围的接触力的分布特征如下:当围压是相同的,随着倾角的增加,拉伸应力集中区域转移到坚硬的岩石。坚硬的岩石地层的压应力集中区域大于软岩,和压缩应力集中的分布区域的左右洞出现不对称。随着围压的增加,拉伸应力集中区域的范围大大降低,而抗压应力集中区域的范围变化更少(4)位移场分析表明,围压有直接影响的故障模式标本。随着围压的增加,试样的拉伸断裂镇压,和宏观失败区从拉伸剪切破坏

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了山东省自然科学基金(ZR2019MEE022 ZR2020QE119)和中国国家自然科学基金(52004145)。