裂隙岩体宏—细观损伤破坏特性及数值方法研究

发布时间：2020-04-19 21:25

【摘要】：随着交通和水利水电重大基础设施工程的建设,我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家。这些隧道等岩石工程在修建过程中会遇到各种复杂的地质条件和外部环境条件,碎裂围岩大变形以及所诱发的大体积塌方是隧道工程常有的一种灾害形式。因此,针对裂隙岩体变形破坏过程的分析研究对于隧道的运行长期稳定性具有十分重大的现实工程意义、社会意义。岩石经过漫长的年代形成,在其形成的过程中存在了大量随机的天然缺陷,它的变形破坏规律受周围力学环境及自身强度条件的影响。对于裂隙岩石其变形破坏机制除受上述因素的影响之外,还要考虑本身裂隙的影响。而且隧道裂隙围岩的整个变形-塌方过程本质上是一个连续到非连续的过程,因此单纯地采用连续的方法分析其全过程并不科学,对于已经发生塌落的区域应将其视为非连续区域。因此我们将连续与非连续分析方法结合来是研究裂隙岩体变形破坏-塌方过程的一个可选路径。本文通过室内光弹性试验,基于能量耗散理论从宏、细观的角度分析了裂隙岩体的变形演化规律,并建立了基于桥域法的区域耦合数值分析方法。本文的主要研究内容如下:(1)采用反射式光弹仪,开展了不同倾角裂隙的多尺寸岩体变形破坏单轴压缩试验,研究了裂隙岩体试件尺寸及裂隙倾角对裂隙岩体强度及破坏模式的共同影响,基于光学-应力定律获得了试件表面全场应力应变,揭示了裂隙岩体变形演化规律。(2)基于能量耗散原理及应变能密度理论,引入损伤变量,建立了考虑尺寸效应的裂隙岩体非线性损伤破坏本构模型,分析了损伤本构模型参数与试件尺寸、节理倾角的关系,提出了裂隙岩石非线性损伤破坏的能量判别准则。基于上述本构方程和判别准则,依托FLAC3D软件平台,开发了裂隙岩体损伤破裂的计算程序,模拟了裂隙岩体的非线性损伤破坏过程,其模拟结果与试验结果基本相同,验证了上述判别准及数值方法的正确性及可行性。(3)基于Helmholtz自由能,引入接触损伤变量,从细观层面分析了颗粒离散元中颗粒间作用力与位移的关系,建立了颗粒非线性损伤接触模型。基于开源离散元软件YADE,采用上述损伤接触模型,模拟了单轴压缩条件下裂隙岩石的变形破坏过程,结合室内试验对其进行了验证,同时开展了三轴压缩条件下裂隙岩石细观变形破坏数值试验,分析了三轴压缩条件下裂隙倾角及试件尺寸对其变形破坏过程的影响。(4)基于桥域法,引入能量权函数,推导了不同模型的补偿力(力矩),建立了裂隙岩体非线性宏-细观耦合分析模型,开发了耦合区域的程序代码,模拟了裂隙岩体的渐进破坏过程,并与纯离散元模型计算结果进行了对比,验证了上述耦合方法的正确性及有效性。(5)在前述研究的基础上,以潮惠公路隧道、长岗隧道工程为背景,采用本文提出的颗粒损伤接触纯离散元模型及区域耦合模型,分析了不同荷载条件下隧道围岩的大变形-塌方的过程。
【图文】：

图１－邋１隧道塌方逡逑Ｆｉｇ．邋１－邋１邋Ｔｕｎｎｅｌ邋ｃｏｌｌａｐｓｅ逡逑１．１．２研究意义逡逑在目前的公路隧道、铁路隧道等工程中裂隙岩体是城市轨道交通建设、边坡逡逑及地下水电硕室等岩石工程中经常可以遇到的一类复杂的岩体，其力学强度、变逡逑形特征将直接影响各类岩止工程施工设计与运行期的稳定性。实际上，岩石作为逡逑自然界中经过长期地质构造运动所形成的最为复杂的固体材料之一，在发生变形逡逑和破坏时，会表现出强烈的非线性，，且在裂纹贯通后进入非连续状态，其力学特逡逑性不可逆。但能量的变化贯穿整个过程，即它的变形破坏归根到底是能量驱动下逡逑的一种状态失稳现象。由此看来，如果能将能量传递与转化引入分析岩石变形破逡逑坏过程中，建立以能量变化为主的非线性强度理论，就能更准确地描述岩石损伤逡逑变形破坏的全过程。逡逑在以往的研究中，学者们在连续宏观尺度上提出了许多数值方法用于研究裂逡逑

——标准养护２８逡逑天。制成的岩样如图２－３所示。为方便试验结果的处理，将试件进行编号，例如逡逑“Ａ－３０°－０．５”第一个字母表示岩样Ａ邋Ｃ尺寸１０ｃｍｘｌ０ｃｍｘ５ｃｍ），第二个数值表示预逡逑制裂隙倾角为３０°，第三个表示高宽比为０．５。逡逑表２－１试样和砂岩的物理力学参数逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－１邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ｓａｍｐｌｅ邋ａｎｄ邋ｓａｎｄｓｔｏｎｅ逡逑试件密度邋单轴抗压强单轴抗拉强压缩弹性内摩粘聚力逡逑力人逦／ｇ．ｃｍ－３逦度／ＭＰａ逦度／ＭＰａ逦模／ＧＰａ逦擦角逦／ＭＰａ逡逑模型逦２．２０逦３２．６０逦５．３２逦４．４０逦０．２１逦３１逦５．１４逡逑砂岩逦２．］０￣２．８０逦２０－１６０逦４－２０逦４￣５０逦０．１－０．３逦３０－５０逦４￣４０逡逑条弋Ｖ邋．，…逡逑；Ｔ邋＇邋．１逦？逦＊邋，洕二如逡逑图２－１预制裂隙逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｐｒｅ－ｅｘｉｓｔｉｎｇ邋ｆｉｓｓｕｒｅｓ逡逑ａ：—．丨Ｊｇｌ曑W逡逑ＬＷ１｜
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45

【参考文献】

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本文编号：2633757