巖體斷裂與蠕變損傷破壞機(jī)理研究.pdf

1、巖體中裂隙對(duì)其力學(xué)特征的影響不可忽略，裂隙巖體在應(yīng)力場(chǎng)或流固耦合影響下的斷裂破壞機(jī)制與蠕變損傷機(jī)理是巖體力學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，對(duì)于巖體中工程項(xiàng)目安全順利、高速有效地開(kāi)展，具有重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義
　　本文較為系統(tǒng)地開(kāi)創(chuàng)性研究了應(yīng)力場(chǎng)和流固耦合影響下裂隙巖體的斷裂破壞機(jī)制與蠕變損傷機(jī)理，以往研究裂隙巖體斷裂破壞機(jī)制時(shí)大多局限于裂隙尖端微裂紋的發(fā)育模式與力學(xué)機(jī)理，而對(duì)其強(qiáng)度變化規(guī)律較少涉及，因而不可避免了忽視了滑動(dòng)裂紋模型理論在

2、解釋與分析裂隙尖端微裂紋發(fā)育模式與力學(xué)機(jī)理方面的適用范圍;同時(shí)，對(duì)于巖體蠕變損傷機(jī)理方面的研究工作，主要集中在非線性組合模型上，而對(duì)裂隙巖體蠕變變形的非線性特征并未給予足夠的重視，因而常犯線性元件非線性描述的低級(jí)錯(cuò)誤。本文針對(duì)上述實(shí)際情形，基于滑動(dòng)裂紋模型理論解與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的差異，首次提出了滑動(dòng)裂紋模型理論在解釋與分析張開(kāi)裂隙斷裂破壞機(jī)理方面具有局限性的觀點(diǎn)，并結(jié)合彈性力學(xué)理論，給出了壓縮條件下扁橢圓孔邊界上環(huán)向拉伸應(yīng)力的解析解;同時(shí)

3、，根據(jù)流固耦合影響下，裂隙面上的正應(yīng)力分布特征，創(chuàng)造性地提出了裂隙巖體內(nèi)高低滲透水壓判定準(zhǔn)則，并將常見(jiàn)巖土工程問(wèn)題簡(jiǎn)化為三種力學(xué)模型，在數(shù)值領(lǐng)域內(nèi)分別對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算和分析工作;另一方面，將損傷因子引入流變學(xué)研究工作中，在基本流變?cè)A(chǔ)上構(gòu)建了損傷元件模型，并將裂隙塑性體和加速蠕變體置入組合蠕變損傷模型中，建立了考慮原生節(jié)理影響的非線性黏彈塑性蠕變損傷模型。其主要研究成果如下所述:
　　(1)壓剪復(fù)合應(yīng)力環(huán)境下，由于忽略壓應(yīng)力在裂

4、隙尖端應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)作用，而僅考慮其在裂紋面上產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦阻力的作用效果，并結(jié)合最大周向拉應(yīng)力理論，使得滑動(dòng)裂紋模型理論很好地解釋了壓剪復(fù)合應(yīng)力下裂隙尖端翼型張拉裂紋的發(fā)育機(jī)制。但是研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)裂隙體強(qiáng)度變化規(guī)律與該理論解之間存在顯著差異，結(jié)合裂隙體形態(tài)特征及力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，首次提出了滑動(dòng)裂紋模型理論在預(yù)測(cè)張開(kāi)裂隙模型破壞機(jī)制方面具有局限性的觀點(diǎn)，然后根據(jù)彈性力學(xué)在橢圓孔洞問(wèn)題上的解析解，給出了單向應(yīng)力下扁橢圓孔邊界上的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，解釋

5、了張開(kāi)裂隙試件在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下的變形破壞機(jī)理。
　　(2)在PFC數(shù)值計(jì)算平臺(tái)上，基于fish語(yǔ)言改編了自帶Fish Tank模型程序，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)Fish Tank模型的開(kāi)發(fā)，然后在程序自帶Fish Tank程序和增強(qiáng)Fish Tank程序上分別進(jìn)行了多裂隙與單裂隙模型的計(jì)算和分析工作，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)比，表明了滑動(dòng)裂紋模型理論在解釋張開(kāi)裂隙尖端微裂紋發(fā)育模式與擴(kuò)展機(jī)制方面局限性的存在。
　　(3)研究了數(shù)

6、值條件下閉合裂隙巖體模型的構(gòu)建方法與技術(shù)，并在PFC2D數(shù)值計(jì)算平臺(tái)上完成了閉合裂隙數(shù)值模型的單向及雙向加載試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比張開(kāi)裂隙模型的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)一步確認(rèn)了裂隙閉合形態(tài)對(duì)其斷裂破壞模式影響性的存在。
　　(4)滲流場(chǎng)中裂隙巖體的力學(xué)特性及水巖作用機(jī)理是巖石力學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的前沿方向，并逐漸成為理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱門(mén)課題;同時(shí)，滲流場(chǎng)的存在和改變，也是導(dǎo)致巖體工程失穩(wěn)，甚至發(fā)生大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害的重要原因，因此在滲流場(chǎng)中進(jìn)行卸荷條件

7、下裂隙巖體響應(yīng)及巖土工程穩(wěn)定分析，具有廣闊的應(yīng)用前景和學(xué)術(shù)價(jià)值。根據(jù)滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下裂隙巖體內(nèi)裂紋面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，提出了高低滲透水壓環(huán)境判定準(zhǔn)則，并給出了相應(yīng)滲透水壓下的裂隙巖體斷裂破壞機(jī)理，并將常見(jiàn)巖土工程問(wèn)題簡(jiǎn)化為三種力學(xué)模型:豎向加載、側(cè)向卸荷與增大滲透壓，并完成了相應(yīng)力學(xué)條件下裂隙體模型的計(jì)算與分析工作。
　　(5)蠕變性是深部巖體巷道的典型變形特征，而典型巖樣的室內(nèi)加載試驗(yàn)是研究巖體蠕變變形規(guī)律的主要技術(shù)方法

8、，基于室內(nèi)典型巖樣的蠕變實(shí)驗(yàn)研究深部巖體巷道蠕變變形機(jī)制是目前流變學(xué)研究熱點(diǎn)，并具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。在蠕變模型研究基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石試件的蠕變損傷演化機(jī)制，引入損傷力學(xué)中的損傷因子來(lái)描述由時(shí)效損傷劣化效應(yīng)帶來(lái)的巖石非線性變形規(guī)律，在物理學(xué)與流變學(xué)上實(shí)現(xiàn)真正意義的參數(shù)非線性化統(tǒng)一描述，并以此為基礎(chǔ)，完成了經(jīng)典蠕變模型和基本流變?cè)渥儞p傷變形特征的非線性描述，然后引入裂隙塑性體來(lái)描述原生裂隙在蠕變條件下的變形機(jī)制，同時(shí)引入非線性加