節(jié)理巖體本構(gòu)模型和其細觀力學(xué)方法理論研究.pdf

1、巖體作為一種天然的地質(zhì)材料,由于自身各種缺陷的存在嚴(yán)重影響巖體的力學(xué)性質(zhì),許多巖土建筑工程的失穩(wěn)和破壞都與此有關(guān)。本文以節(jié)理巖體為研究對象,首先從其特有的各種不連續(xù)面入手,較為深入地研究了節(jié)理面的靜力學(xué)特性,然后把微觀節(jié)理面和宏觀巖石統(tǒng)一起來,初步建立了以彈塑性理論為核心的細觀力學(xué)本構(gòu)模型。主要內(nèi)容包括:
　　 (1)基于現(xiàn)有試驗結(jié)果,采用類比等效分析方法將以往線彈性節(jié)理巖體的剪切曲線和剪脹曲線推廣為非線性雙曲線彈性本構(gòu)模型。由

2、各個曲線的特點,提出相應(yīng)的假設(shè)以及約束條件得到其曲線關(guān)系。然后根據(jù)得出的表達式,對相應(yīng)曲線公式的位移進行求導(dǎo),即可得到相應(yīng)的剛度系數(shù)。與指數(shù)型CSDS模型相比,本模型更易求導(dǎo)和確定材料參數(shù)。
　　 (2)從微觀角度和宏觀行為對節(jié)理切向加載作用下的變形機理進行了分析,把微凸體在磨損破壞過程中引起的爬坡現(xiàn)象和伴隨的強化現(xiàn)象分開考慮,提出了一種新的彈塑性本構(gòu)模型。試驗表明,在法向和切向載荷共同作用下,由于微凸體的爬坡和啃斷作用,節(jié)理巖

3、體均會發(fā)生一定程度的剪脹和磨損,從而使得抗剪強度降低,由此引入一個初始剪切應(yīng)力概念體現(xiàn)上述特征。另一方面,由于破碎顆粒的碾壓和遷移作用,使得抗剪力學(xué)行為由微凸體粗糙度控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒?jié)理面上形成的緊密夾層的力學(xué)行為所控制,抗剪強度提高,在此通過彈塑性隨動強化模型來體現(xiàn)這一變形行為。當(dāng)隨動強化模型與初始剪切應(yīng)力相結(jié)合時,即為節(jié)理巖體切向加載作用下的剪切應(yīng)力-切向位移本構(gòu)關(guān)系。其中強化和軟化機理共同影響著節(jié)理的破壞過程,該模型能較好地描述材

4、料的軟化過程。
　　 (3)根據(jù)以往對節(jié)理表面形態(tài)的研究,提出了把兩個粗糙曲面接觸的非耦合含起伏度節(jié)理的接觸閉合問題轉(zhuǎn)化為一個光滑起伏度與一個粗糙平面組合的接觸閉合問題。然后針對節(jié)理巖體切向循環(huán)加載下的破壞機理提出了兩個相應(yīng)假設(shè)來體現(xiàn)損傷。根據(jù)提出的假設(shè)推導(dǎo)了節(jié)理巖體切向循環(huán)加載作用下的本構(gòu)模型。特別在循環(huán)試驗過程中出現(xiàn)明顯的“偏移”現(xiàn)象以及循環(huán)多次后殘余剪切強度出現(xiàn)的“偏大”現(xiàn)象進行了深入探討。
　　 (4)充填節(jié)理一

5、般是巖體中最弱的破壞單元,力學(xué)行為主要依賴于節(jié)理本身以及充填材料的性質(zhì),其破壞模式和變形機理與無充填節(jié)理相比又有很大的不同。根據(jù)以往學(xué)者做的充填節(jié)理直剪試驗結(jié)果,詳細研究了充填度對節(jié)理力學(xué)參數(shù)的影響。然后再對比分析以往學(xué)者提出的幾種充填節(jié)理巖體剪切強度模型,選用其中一個,用經(jīng)典的彈塑性理論推導(dǎo)了充填節(jié)理巖體增量型應(yīng)力與位移的本構(gòu)模型,并對其法向的剪脹與剪縮行為也進行了深入探討。
　　 (5)針對巖體中分布著大量的不連續(xù)面,以連續(xù)

6、細觀力學(xué)為基礎(chǔ),根據(jù)兩個假設(shè)條件研究了用一個等效連續(xù)介質(zhì)材料的響應(yīng)來代替非均勻介質(zhì)材料的平均響應(yīng)問題。對巖體中的節(jié)理,主要是把節(jié)理單獨取出來考慮,然后討論節(jié)理的滑移、閉合以及本身屬性等對巖體宏觀性能的影響。特別針對節(jié)理巖體中含有充填材料這種情況進行了深入研究,求得相應(yīng)的應(yīng)力集中張量因子,建立了充填多節(jié)理巖體的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型。根據(jù)建立的模型,對巖體單軸壓縮試驗進行定性分析,討論了節(jié)理內(nèi)的充填材料對巖體宏觀變形的影響。