裂隙岩体破坏模式及稳定性的深入研究

压缩作用下岩体内部裂隙的扩展、贯通是导致岩体破坏失稳的重要原因。压缩下裂纹起裂后并不立即失稳，而是形成新分支裂纹，随着载荷增大，分支裂纹逐渐扩展贯通，直至岩体破坏。深入研究岩体内裂隙起裂后分支裂纹的扩展和贯通规律，对揭示岩体失稳的渐进破坏机制、分析岩体的稳定性具有重要的指导作用。本研究拟首先采用极限分析法得出压缩作用下单裂纹的曲线翼型裂纹扩展路径的渐近线，结合试验、理论和数值方法得出翼型裂纹路径的曲线方程，并建立曲线翼型裂纹模型，用于分析翼型裂纹扩展失稳特性。考虑到多裂纹的相互作用，采用断裂理论对单裂纹曲线翼型裂纹模型进行修正，采用修正后的翼型裂纹模型，并结合次生裂纹的扩展特性，分析多裂纹岩桥的贯通规律，建立起多裂纹岩桥贯通模式与多裂纹初始参数的对应关系，并建立岩桥破坏准则，用于分析裂隙岩体的破坏模式与稳定性。采用ABAQUS二次开发实现裂纹扩展的数值模拟，结合试验验证以上结论的有效性。

压缩作用下岩体内部分支裂纹扩展贯通是导致岩体失稳的重要原因，试验表明压缩作用下分支裂纹扩展路径为曲线，而目前已有的分支裂纹模型都假设分支裂纹为直线路径扩展，忽略了分支裂纹扩展的“曲线效应”，这与实际不符，所以研究曲线分支裂纹扩展特性更具有实际意义。本研究重点对压缩作用下I型曲线分支(翼型)裂纹扩展特性展开深入的研究，得到以下成果：(1)采用试验、理论和数值方法研究了张开型和闭合型初始裂纹的分支裂纹曲线扩展路径的渐近特性，并推导出曲线分支裂纹的渐近线方程；(2)采用渐近函数对曲线分支裂纹扩展路径进行了定量几何描述，确定了渐近函数中未知参数，并进行了试验和数值验证；(3)建立了单曲线分支裂纹模型，给出了曲线分支裂纹应力强度因子计算表达式，与已有的直线分支裂纹模型不同，该模型考虑了分支裂纹扩展路径曲线效应的影响，并进行了验证；(4)在单裂纹曲线分支裂纹基础上，考虑裂纹相互作用，通过修正单裂纹曲线分支裂纹应力强度因子中“驱动力τeff”，建立了多裂纹远端分曲线支裂纹模型；(5)编写了曲线分支裂纹扩展过程精确模拟的程序，提出模拟曲线分支裂纹扩展过程中，应采用曲线路径的割线方向作为分支裂纹扩展方向，如采用切线作为方向角会导致曲线扩展路径产生锯齿状，并根据断裂力学理论确定了割线方向搜索方法，完成了曲线分支裂纹的精确数值模拟。该项目建立了较完整的曲线分支裂纹理论模型，该模型直接建立了压缩作用下初始裂纹特征参数与曲线分支裂纹扩展特性之间的联系，通过该模型可以确定压缩作用下曲线分支裂纹的曲线扩展路径及其扩展载荷，进而分析多裂纹岩桥破坏问题，对丰富岩石断裂力学内容具有一定的意义。