岩体裂纹起裂扩展规律及失稳特性的研究

裂隙岩体内的裂纹破坏机理是裂纹端部应力集中造成岩桥撕拉破坏并逐渐发育贯通形成拉剪折线型破坏模式。压缩作用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。应用断裂力学方法研究岩体中裂隙起裂后分支裂纹的扩展和贯通，对揭示岩体失稳的渐进破坏机制以及采取合理的加固措施具有重要的指导作用。本研究拟将理论、模型试验与数值分析相结合，研究分支裂纹的扩展与载荷和初始裂纹几何特征的关系，通过分支裂纹扩展失稳规律探讨复合型裂纹的失稳判据。研究锚杆(索)的布置对裂纹失稳模式和失稳载荷的影响，探讨锚杆(索)的最佳布置方式。对商业软件ABAQUS进行二次开发实现裂纹的扩展失稳过程及锚杆(索)的加固效应的模拟，并分析锚杆(索)对岩体中裂纹的止裂效果，与试验结果对比以验证计算方法的正确性，探究岩体工程中裂纹的破坏贯通、岩体的失稳特性及锚杆(索)的加固止裂机理。

采用大连理工大学岩土工程研究所自主研发的单双轴试验压力机，对含有单裂纹或中心对称双裂纹的石膏试件进行单（双）轴压缩试验。试验表明，翼型裂纹起裂角大多在79°左右，普遍高于理论值70.5°；起裂角跟初始裂纹倾角无关系；起裂荷载和极限荷载数值相差不大，而且初始裂纹角度越大，其扩展荷载越大。通过多组不同的岩桥倾角的试件，比较分析了岩桥倾角对裂纹扩展贯通模式、起裂应力及峰值强度的影响。在单轴压缩作用下，随着岩桥倾角β增大，岩桥区域裂纹贯通模式由张拉型逐渐演化为拉剪复合型和剪切型，试件峰值强度逐渐降低。.　　利用扩展有限元法建立数值模型，对压剪复合断裂试验中翼型裂纹扩展过程进行了数值模拟。通过研究发现：翼型裂纹的起裂荷载随着主裂纹方位角的增大而减小，但随着翼型裂纹的生长，当翼型裂纹超过一定长度时，方位角较大试件的翼型裂纹扩展荷载大于方位角较小试样的翼型裂纹扩展荷载。采用SPRING弹簧单元模拟锚固段的锚杆与岩体间的剪切关系，实现单轴压缩作用下加锚岩体裂纹的起裂扩展过程模拟，分析了锚固距离、锚固角和锚固力等因素对起裂荷载的影响。.　　采用颗粒流软件PFC2D，利用函数模块追踪裂纹扩展过程和微裂纹数量，实现了对含有不同岩桥倾角的预制双裂纹材料在单轴压缩作用下裂纹扩展贯通过程的模拟，并与室内模型试验进行对比分析。结果表明，颗粒流程序可以很好地模拟脆性岩石材料在压剪作用下裂纹的贯通过程。.　　比较了不同权函数的性质与影响域及其随内部长度因子变化的规律，应用采用不同权函数的非局部理论分析了Ⅰ-Ⅱ型裂纹尖端的应变场，进而分析了应力强度因子KI与KII对非局部各个应变分量的影响。剪切带方向角是描述材料局部特征的一个重要参量，讨论了弹塑性局部响应行为及其力学方程的解的非唯一性。考虑摩尔-库伦强度理论中各向同性破坏和粘聚力和内摩擦角的退化作用，得到了剪切带方向角，并与局部方向角的测量值进行了比较。