岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究

【摘要】岩体中裂隙对其力学特征的影响不可忽略,裂隙岩体在应力场或流固耦合影响下的断裂破坏机制与蠕变损伤机理是岩体力学研究的主要内容之一,对于岩体中工程项目安全顺利、高速有效地开展,具有重要的理论价值和指导意义本文较为系统地开创性研究了应力场和流固耦合影响下裂隙岩体的断裂破坏机制与蠕变损伤机理,以往研究裂隙岩体断裂破坏机制时大多局限于裂隙尖端微裂纹的发育模式与力学机理,而对其强度变化规律较少涉及,因而不可避免了忽视了滑动裂纹模型理论在解释与分析裂隙尖端微裂纹发育模式与力学机理方面的适用范围；同时,对于岩体蠕变损伤机理方面的研究工作,主要集中在非线性组合模型上,而对裂隙岩体蠕变变形的非线性特征并未给予足够的重视,因而常犯线性元件非线性描述的低级错误。本文针对上述实际情形,基于滑动裂纹模型理论解与实测结果之间的差异,首次提出了滑动裂纹模型理论在解释与分析张开裂隙断裂破坏机理方面具有局限性的观点,并结合弹性力学理论,给出了压缩条件下扁椭圆孔边界上环向拉伸应力的解析解；同时,根据流固耦合影响下,裂隙面上的正应力分布特征,创造性地提出了裂隙岩体内高低渗透水压判定准则,并将常见岩土工程问题简化为三种力学模型,在数值领域内分别对其进行了计算和分析工作；另一方面,将损伤因子引入流变学研究工作中,在基本流变元件基础上构建了损伤元件模型,并将裂隙塑性体和加速蠕变体置入组合蠕变损伤模型中,建立了考虑原生节理影响的非线性黏弹塑性蠕变损伤模型。其主要研究成果如下所述：(1)压剪复合应力环境下,由于忽略压应力在裂隙尖端应力场的力学作用,而仅考虑其在裂纹面上产生滑动摩擦阻力的作用效果,并结合最大周向拉应力理论,使得滑动裂纹模型理论很好地解释了压剪复合应力下裂隙尖端翼型张拉裂纹的发育机制。但是研究发现,实测裂隙体强度变化规律与该理论解之间存在显著差异,结合裂隙体形态特征及力学响应规律,首次提出了滑动裂纹模型理论在预测张开裂隙模型破坏机制方面具有局限性的观点,然后根据弹性力学在椭圆孔洞问题上的解析解,给出了单向应力下扁椭圆孔边界上的力学响应规律,解释了张开裂隙试件在单轴压缩实验条件下的变形破坏机理。(2)在PFC数值计算平台上,基于fish语言改编了白带FishTank模型程序,实现了增强FishTank模型的开发,然后在程序自带FishTank程序和增强FishTank程序上分别进行了多裂隙与单裂隙模型的计算和分析工作,并将数值计算结果与实测结果相对比,表明了滑动裂纹模型理论在解释张开裂隙尖端微裂纹发育模式与扩展机制方面局限性的存在。(3)研究了数值条件下闭合裂隙岩体模型的构建方法与技术,并在PFC2D数值计算平台上完成了闭合裂隙数值模型的单向及双向加载试验研究,通过对比张开裂隙模型的力学响应规律,进一步确认了裂隙闭合形态对其断裂破坏模式影响性的存在。(4)渗流场中裂隙岩体的力学特性及水岩作用机理是岩石力学领域关注的前沿方向,并逐渐成为理论和实验研究的热门课题；同时,渗流场的存在和改变,也是导致岩体工程失稳,甚至发生大规模地质灾害的重要原因,因此在渗流场中进行卸荷条件下裂隙岩体响应及岩土工程稳定分析,具有广阔的应用前景和学术价值。根据渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体内裂纹面上的应力分布状态,提出了高低渗透水压环境判定准则,并给出了相应渗透水压下的裂隙岩体断裂破坏机理,并将常见岩土工程问题简化为三种力学模型：竖向加载、侧向卸荷与增大渗透压,并完成了相应力学条件下裂隙体模型的计算与分析工作。(5)蠕变性是深部岩体巷道的典型变形特征,而典型岩样的室内加载试验是研究岩体蠕变变形规律的主要技术方法,基于室内典型岩样的蠕变实验研究深部岩体巷道蠕变变形机制是目前流变学研究热点,并具有重要的工程意义和学术价值。在蠕变模型研究基础上,结合岩石试件的蠕变损伤演化机制,引入损伤力学中的损伤因子来描述由时效损伤劣化效应带来的岩石非线性变形规律,在物理学与流变学上实现真正意义的参数非线性化统一描述,并以此为基础,完成了经典蠕变模型和基本流变元件蠕变损伤变形特征的非线性描述,然后引入裂隙塑性体来描述原生裂隙在蠕变条件下的变形机制,同时引入非线性加速蠕变体,组成考虑原生节理影响的变参数非线性蠕变损伤模型,并给出组合模型相应应力水平下的蠕变状态方程；最后基于东乡铜矿砂质页岩蠕变实验对该蠕变损伤模型进行了验证和分析。
【作者】蒲成志；
【导师】曹平；
【作者基本信息】中南大学，工程力学，2014，博士
【关键词】裂隙岩体；渗透水压；判定准则；裂隙闭合形态；损伤因子；蠕变损伤模型；时效损伤劣化；

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