围压作用下红砂岩轴向卸荷—拉伸力学特性及本构模型研究

发布时间：2020-06-02 18:51

【摘要】：高地应力环境下岩质高边坡及地下洞室等工程开挖必将引起应力场的重分布,常呈现单向卸荷-拉伸变形破坏,导致岩石(体)呈现强烈的张拉破裂特征。为了探索围压作用下岩石卸荷-拉伸变形破坏特征,本文依托国家自然科学基金面上项目“高残余应力下卸荷破裂硬岩的流变特性及时效扩展机理研究(41172243)”,针对三向应力状态下岩石单向卸荷-拉伸变形破坏这一应力路径,采用室内试验、数值模拟和理论方法等手段,结合岩石力学、卸荷岩石力学、损伤力学和弹塑性力学等理论,对恒围压卸轴压条件下红砂岩卸荷-拉伸力学特性的围压效应及应变率效应、细观损伤演化机制、强度准则和本构模型等方面进行了较为系统的研究,主要研究内容和成果如下:①发明了一种可在围压作用下进行轴向卸荷-拉伸的岩石单向卸荷-拉伸试验装置,对红砂岩卸荷-拉伸力学特性的围压效应和应变率效应进行了试验研究。结果表明:围压作用下红砂岩轴向卸荷-拉伸力学特性主要受围压控制:无围压条件下(Pc = 0MPa),无卸荷变形只有拉伸变形,峰值强度即为单轴拉伸强度,为拉伸破坏;低围压条件下(0 MPaPc≤ 20 MPa),既有卸荷变形又有拉伸变形,峰值强度接近于单轴抗拉强度而不随围压变化,呈拉伸破坏;中等围压条件下(20MPaPc≤40 MPa),既有卸荷变形又有拉伸变形,峰值强度随围压增加由单轴拉伸强度逐渐过渡到0MPa,呈拉剪混合破坏;高围压条件下(Pch0MPa),只有卸荷变形无拉伸变形,峰值强度随围压增加由0 MPa逐渐增大,呈剪切破坏。静态或拟静态条件下,红砂岩卸荷-拉伸弹性模量、峰值轴向应变和破坏强度均与应变率对数lgε呈较好的线性关系。②对不同初始静水应力、不同初始轴压以及不同初始围压条件下红砂岩卸荷-拉伸变形破坏过程进行了数值模拟。结果表明:不同初始应力条件下,变形曲线呈弹性变形、非线性变形和峰后变形三个阶段,而裂纹随变形的变化曲线通常呈无裂纹阶段、裂纹加速扩展阶段和裂纹匀速扩展阶段三个阶段。随着初始静水应力增加,非线性变形特性逐渐强烈,峰后变形逐渐消失,峰值应力代数值先基本不变然后逐渐增加,剪裂纹所占比例逐渐增大。在初始围压为30 MPa条件下,随着初始轴压增加,弹性变形阶段逐渐变长,而非线性变形和峰后变形基本保持一致,峰值强度恒定,约为-0.33 MPa,几乎不产生剪裂纹。在初始轴压为30 MPa条件下,随着初始围压增加,非线性变形逐渐强烈,峰后变形逐渐消失,峰值应力代数值逐渐增加,围压超过45 MPa后剪裂纹才快速萌发并扩展。③分析了不同初始应力条件下红砂岩卸荷-拉伸细观损伤演化,从而总结出细观损伤破裂类型,并建立其与宏观破坏模式的对应关系,提出了破坏模式的量化评价标准,推导了细观损伤演化方程式。结果表明:红砂岩卸荷-拉伸细观损伤破裂形态可分为主裂纹贯通撕裂型、伴有支裂缝的主裂纹贯通撕裂型、拉裂纹横向劣化型、拉裂纹斜向劣化型、单组“S”形裂纹劣化型以及多组“S”形裂纹劣化型等6种类型,前两种属于拉伸破坏,第三种属于拉剪混合破坏,后三种属于剪切破坏。红砂岩卸荷-拉伸破坏模式可采用峰值应力和起裂应力进行量化评价:当峰值应力起裂应力0MPa时,为拉伸破坏;当峰值应力0MPa起裂应力时,为拉剪混合破坏;当0MPa峰值应力起裂应力时,为剪切破坏。可采用形状参数、起裂应力百分位和峰值裂纹数百分位建立的三参数非线性方程对红砂岩卸荷-拉伸细观损伤演化进行量化评价。④对经典的Mohr-Coulomb强度准则(MC准则)和Hoek-Brown强度准则(HB准则)用于红砂岩卸荷-拉伸强度描述的适用性进行了评价,并推导了修正的MC准则(UT-MC准则)和修正的HB准则(UT-HB准则),并研究了应变率对UT-MC准则和UT-HB准则各参数的影响。结果表明:两个经典强度准则均不能直接用于红砂岩卸荷-拉伸强度描述,而推导的含4参数的修正强度准则适用性较好,其中,拉伸破坏临界围压和拉伸强度分别与剪切破坏临界围压之比随应变率对数lgε呈双曲线关系,剪切破坏临界围压和拉伸强度与应变率对数lgg呈线性关系,而拉伸破坏临界围压与应变率对数lgε呈抛物线关系。⑤建立了红砂岩卸荷-拉伸弹塑性本构模型和损伤本构模型,并对所推导的本构模型的可靠性进行了验证。结果表明:红砂岩卸荷-拉伸弹塑性本构模型可根据初始围压水平分为三类:低围压条件(0MPa≤Pc≤20MPa)下的本构模型由弹性本构模型和应变软化本构模型组合得到,中等围压条件(20 MPa≤Pc≤ 40 MPa)下的本构模型由非线弹性本构模型、弹性本构模型和应变软化本构模型组合得到,高围压条件(Pc≥ 40MPa)下的本构模型由非线弹性本构模型、弹性本构模型、塑性本构模型以及应变软化本构模型组合得到。可通过基于有效应力定义的损伤变量和基于有效面积定义的损伤变量,分别建立相应的红砂岩卸荷-拉伸损伤本构模型。
【图文】：

开挖卸荷,应力路径,隧道,卸荷

在图 1.2(a)中边坡削坡理论上只对卸荷，图1.2(b)中隧道开挖的侧面和掌子面前方岩石（体）都只在单方向进行卸荷，而图 1.1中的卸荷应力路径是对围压卸荷，这是不太合理的。另一方面，根据前述的岩石卸荷破坏特征来看，，其破坏模式具有拉伸破坏特征（张性破裂），同时还可能存在剪切破坏（剪性破裂）或拉剪混合破坏（张剪破裂）[20-30]。这三种破坏模式是脆性岩石的基本破坏模式，已基本成为岩石工程学界的共静水应力状态比例极限状态破坏点破坏点 3 1破坏点ACBD0

示意图,劈裂试验,巴西,岩石

拉剪混合破坏，其细观破裂形式实际上都表现为张拉裂纹，或者用[120-127]。(a) 力学原理示意图 (b) 试样方向卸荷示图 1.3 真三轴岩石卸荷试验系统[91, 93]Fig. 1.3 True-triaxial rock unloading test system[91, 93].压头；2.力传感器；3.岩石试样；4.承压板；.传力杆；6.可变形圆柱；7.底座；8.支撑架下坠方向卸荷卸荷 1 1 2 3
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV223.1

【参考文献】