巖體斷裂與蠕變損傷破壞機理研究.pdf

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

2、解釋與分析裂隙尖端微裂紋發(fā)育模式與力學(xué)機理方面的適用范圍;同時，對于巖體蠕變損傷機理方面的研究工作，主要集中在非線性組合模型上，而對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錯誤。本文針對上述實際情形，基于滑動裂紋模型理論解與實測結(jié)果之間的差異，首次提出了滑動裂紋模型理論在解釋與分析張開裂隙斷裂破壞機理方面具有局限性的觀點，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

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，并將常見巖土工程問題簡化為三種力學(xué)模型，在數(shù)值領(lǐng)域內(nèi)分別對其進(jìn)行了計算和分析工作;另一方面，將損傷因子引入流變學(xué)研究工作中，在基本流變元件基礎(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)力場的力學(xué)作用，而僅考慮其在裂紋面上產(chǎn)生滑動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)育機制。但是研究發(fā)現(xiàn)，實測裂隙體強度變化規(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，首次提出了滑動裂紋模型理論在預(yù)測張開裂隙模型破壞機制方面具有局限性的觀點，然后根據(jù)彈性力學(xué)在橢圓孔洞問題上的解析解，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、了張開裂隙試件在單軸壓縮實驗條件下的變形破壞機理。
　　(2)在PFC數(shù)值計算平臺上，基于fish語言改編了自帶Fish Tank模型程序，實現(xiàn)了增強Fish Tank模型的開發(fā)，然后在程序自帶Fish Tank程序和增強Fish Tank程序上分別進(jìn)行了多裂隙與單裂隙模型的計算和分析工作，并將數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果相對比，表明了滑動裂紋模型理論在解釋張開裂隙尖端微裂紋發(fā)育模式與擴展機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)值計算平臺上完成了閉合裂隙數(shù)值模型的單向及雙向加載試驗研究，通過對比張開裂隙模型的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)一步確認(rèn)了裂隙閉合形態(tài)對其斷裂破壞模式影響性的存在。
　　(4)滲流場中裂隙巖體的力學(xué)特性及水巖作用機理是巖石力學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的前沿方向，并逐漸成為理論和實驗研究的熱門課題;同時，滲流場的存在和改變，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)價值。根據(jù)滲流場與應(yīng)力場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理，并將常見巖土工程問題簡化為三種力學(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)典型巖樣的蠕變實驗研究深部巖體巷道蠕變變形機制是目前流變學(xué)研究熱點，并具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。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制，引入損傷力學(xué)中的損傷因子來描述由時效損傷劣化效應(yīng)帶來的巖石非線性變形規(guī)律，在物理學(xué)與流變學(xué)上實現(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元件蠕變損傷變形特征的非線性描述，然后引入裂隙塑性體來描述原生裂隙在蠕變條件下的變形機制，同時引入非線性加