基于3D打印粗糙型节理试样制作及其变形破坏特性试验研究

论文摘要

节理岩体在自然界中广泛存在,由于节理的存在,造成岩体变形的不连续性、非均质及各向异性,导致节理岩体的力学特性极其复杂,节理岩石的强度、变形对工程稳定性具有至关重要的影响,然而无论是自然形成的节理岩体还是开挖卸荷产生的节理岩体,节理面通常是不光滑的,而是有粗糙度的,但以往学者在研究节理岩体压缩试验力学特性时,受当时试验技术及手段的限制,常常假设节理为光滑或者直线型,造成与实际工程变形破坏情况的严重不符,因此开展粗糙节理岩石力学压缩试验对正确认识其力学特性及其破坏机理有着重要意义。为此本文首先利用目前国内外先进的三维扫描和CT技术重构砂岩卸荷破坏裂隙面三维模型,借助3D打印技术和岩石相似材料浇筑法制备了含粗糙节理试样,然后采用室内试验和数值模拟相结合的方法,研究了含粗糙节理类岩石的变形破坏特性。取得的主要研究成果与结论如下:(1)对砂岩试样开展常规三轴峰前卸载试验,来模拟深部地层开挖硐室过程中围岩的卸荷破坏行为,进而对卸荷破坏后的砂岩试样主节理面进行三维白光扫描和三维重构,获得卸荷裂隙面三维模型并采用3D打印机打印,然后采用相似材料浇筑方法将打印的粗糙型节理预制在类岩石材料中,提出一种基于3D打印技术制作含粗糙型节理试样的新方法。制备了4种不同倾角粗糙节理试样、5种不同尺度粗糙节理试样和5种不同粗糙度节理试样,共58块试样。(2)应用声发射和数字照相测量技术对含3D打印的粗糙型节理试样进行单轴和常规三轴压缩试验,研究了粗糙节理试样的强度变形和破裂特征的变化规律。结果表明:粗糙型节理试样的强度变形参数随倾角的增加呈先减小后增大的趋势,随着节理尺度的增加呈减小趋势,随JRC的增加而增大。JRC对试样的破裂模式存在影响,当围压为10和20MPa时,JRC越小的试样易发生剪切破坏,随着JRC的增加,试样开始向拉剪混合破坏发展;围压为30MPa时,节理粗糙度对试样的破坏模式影响能力减弱,围压对试样破裂模式起绝对控制作用。(3)依据上述试验结果,建立了含粗糙型节理类岩石离散元颗粒流模型,开展3种工况的数值模拟研究。研究结果表明:随着节理JRC的增加,试样出现张拉裂纹和剪切裂纹时的应变增大,并且张拉裂纹随着节理JRC的增加呈上升趋势,而剪切裂纹呈减小趋势;试样的峰值强度和弹性模量随着节理数量的增加而减小,相同节理数量下,节理粗糙度对试样强度有增强作用;试样破坏时的剪切裂纹数量随着节理数量的增加呈增大趋势,光滑节理的剪切裂纹数量大于粗糙节理试样,节理粗糙度能明显提高节理试样的抗剪切强度。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡成果

导师: 靖洪文,苏海健

关键词: 节理岩体,打印,节理粗糙度,破裂模式,离散元

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学

基金: 国家自然科学基金重点项目:深部开采与巷道围岩结构稳定控制信息化基础理论研究(No.51734009),国家自然科学基金青年项目:基于CT扫描和3D打印的深部硐室裂隙围岩动态破裂机理研究(No.51704279),江苏省自然科学基金项目(No.BK20170270)

分类号: TU45

总页数: 115

文件大小: 12275K

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