基于断裂力学和损伤理论的裂隙岩体损伤机理研究

发布时间：2018-08-24 16:54

【摘要】：裂隙岩体在复杂的应力条件下,其内部损伤以及损伤演化过程对工程岩体强度、稳定性以及渗流等方面的影响一直是岩石力学与岩石工程中研究的重点与难点。为了研究分析裂隙岩体在复杂应力作用下的损伤以及损伤演变过程对裂隙岩体的宏观力学行为的影响,综合岩石断裂力学、损伤力学以及数值模拟理论对其进行了初步研究。基于断裂力学理论,研究压剪、拉剪应力作用下裂隙岩体内部原生裂纹起裂准则、起裂方位和翼裂纹扩展准则,探讨岩石岩桥强度、裂纹面内摩擦系数、粘结力、岩石内摩擦系数、生裂纹间距、岩桥角、裂纹方位角等对裂纹贯通模式的影响机理。结合断裂力学理论与Betti能量互等定理,运用叠加理论与体积平均等效假设,建立含有多组原生裂纹的裂隙岩体的损伤本构方程,研究荷载作用下裂隙岩石内部的翼裂纹扩展长度和原生裂纹数量的改变规律,揭示裂隙岩体动态损伤演变机制。根据模型计算出裂隙岩体复杂应力作用下的应力-应变关系曲线,通过对已有实验数据进行拟合分析,表明该损伤以及损伤演化本构模型较为准确地反映了孔隙裂隙岩石的物理响应特征,对分析裂隙岩体损伤演化过程中的力学性质具有一定参考作用。由于裂隙岩体内部结构的复杂性,很难从物理本质上研究其动力响应特性。基于TPHM模型,从岩石物理学角度研究了孔隙裂隙对岩石的弹性性质和纵横波速度的影响,建立了孔隙裂隙岩石介质的TPHM波动方程,通过对已有实验数据进行拟合分析,表明该方程较为准确地反映了孔隙裂隙介质动力响应特征,本质上考虑了岩石孔隙裂隙对岩石宏观物理性质的影响,反映了波传递过程中孔隙裂隙介质的非线性弹性行为。在国家自然科学基金面上项目(项目批准号:51374257)、教育部新世纪人才计划项目(项目批准号:NCET-09-0844)资助下进行本论文的研究工作。
[Abstract]:Under the complex stress condition, the internal damage and the influence of the damage evolution process on the strength, stability and seepage flow of the fractured rock mass are always the key and difficult points in the research of rock mechanics and rock engineering. In order to study and analyze the damage of fractured rock mass under complex stress and the influence of damage evolution process on macroscopic mechanical behavior of fractured rock mass, the fracture mechanics, damage mechanics and numerical simulation theory of fractured rock mass are studied in this paper. Based on the theory of fracture mechanics, the primary crack initiation criterion, initiation direction and wing crack propagation criterion of fractured rock mass under compressive shear and tensile shear stress are studied. The strength of rock bridge, the friction coefficient in crack plane, the adhesion force are discussed. The influence mechanism of rock internal friction coefficient, crack spacing, rock bridge angle and crack azimuth on crack through-through mode. Combined with the theory of fracture mechanics and Betti's energy reciprocal theorem, the damage constitutive equation of fractured rock mass with multiple primary cracks is established by using superposition theory and volume average equivalent hypothesis. The dynamic damage evolution mechanism of fractured rock mass is revealed by studying the variation of crack propagation length and the number of primary cracks in fractured rock under loading. According to the model, the stress-strain relationship curve of fractured rock mass under complex stress is calculated, and the existing experimental data are fitted and analyzed. It is shown that the damage and damage evolution constitutive model can accurately reflect the physical response characteristics of porous fractured rock, and it is useful for the analysis of mechanical properties of fractured rock mass in the process of damage evolution. Because of the complexity of internal structure of fractured rock mass, it is difficult to study its dynamic response from the physical essence. Based on the TPHM model, the influence of pore fractures on the elastic properties and longitudinal and shear wave velocities of rocks is studied from the point of view of rock physics. The TPHM wave equation of porous fractured rock media is established, and the existing experimental data are fitted and analyzed. It is shown that the equation accurately reflects the dynamic response characteristics of porous and fractured media. In essence, the influence of pore fractures on the macroscopic physical properties of rock is considered, and the nonlinear elastic behavior of porous media in the process of wave transfer is reflected. The research work of this paper is supported by the project of the National Natural Science Foundation (Project Grant No.: 51374257) and the Project of the Ministry of Education's New Century Talent Program (Project approval No.: NCET-09-0844).
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45

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本文编号：2201438