裂隙巖體動態(tài)損傷局部化機理的理論及應用.pdf

1、損傷局部化現(xiàn)象是巖體破壞的開始,表現(xiàn)為巖體在經(jīng)歷一定的均勻變形后,突然進入局部化變形的階段,它是巖體破壞的前兆。損傷局部化產(chǎn)生的主要因為是裂隙擴展到一定長度后裂隙的擴展狀態(tài)發(fā)生分叉,一部分裂隙繼續(xù)擴展,另一部分裂隙停止擴展。因此,研究裂隙巖體損傷局部化的起始條件和失穩(wěn)模式,對于分析地下工程圍巖穩(wěn)定性具有重要的工程應用價值。本文依托國家自然科學基金項目(Nos.50778184,51078371)、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-

2、07-0911)和重慶市杰出青年基金項目(No.CSTC,2009BA4046),圍繞巖體中裂隙擴展和連接等核心問題,對裂隙巖體動態(tài)損傷局部化的實驗觀察、損傷局部化臨界條件及損傷演化數(shù)值模擬方法三個主要方面進行了研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　 ①采用多種試驗手段和數(shù)據(jù)處理方法,測試了巖石斷裂力學參數(shù),分析了巖石動態(tài)損傷演化規(guī)律。首先,采用三點彎曲試驗測試了巖石斷裂韌度,分析了不同加載速率下巖石斷裂韌度的變化規(guī)律。然后,基于

3、單軸壓縮應力應變關系,利用巖樣體積應變與裂紋體積應變的關系得到了巖石啟裂點,揭示了單軸壓縮條件下巖石損傷演化規(guī)律。其次,采用圖像增強與分割技術,分析了灰?guī)r三軸壓縮條件下?lián)p傷演化規(guī)律,從圖像定量分析的角度探討了CT掃描圖像與損傷演化的關系。最后,采用霍普金森壓桿研究了黃龍灰?guī)r在應變率為15.2～124.3 S-1之間的動態(tài)應力應變關系,獲得了黃龍灰?guī)r動態(tài)損傷局部化的臨界條件以及破壞特征。
　　 ②利用偽力法考慮多裂隙之間的相互作用

4、,獲得了含周期型分布裂隙的巖體損傷局部化臨界條件。通過對多裂隙擴展狀態(tài)的分叉分析,不僅得到了裂隙巖體損傷局部化裂紋彎折擴展臨界長度及臨界應力,而且確定了裂隙巖體損傷局部化的位置。此外,本文還探討了巖體的動態(tài)應力應變關系,通過參數(shù)敏感性分析獲得了裂隙長度、列間距、行間距、裂隙表面摩擦系數(shù)、巖石斷裂韌度、圍壓、裂隙擴展速率和原生裂隙傾角等參數(shù)對巖石損傷局部化起始條件及損傷局部化模式的關系。
　　 ③基于擴展有限元法,建立了裂隙巖體多

5、尺度損傷演化數(shù)值模型。裂隙巖體多尺度損傷演化數(shù)值模型可以有效的模擬不同尺度裂隙的相互作用、擴展和連接,而且還考慮了巖體動態(tài)卸荷的影響。本文建立的裂隙巖體多尺度動態(tài)損傷演化數(shù)值模型計算網(wǎng)格不需要與內(nèi)邊界(如裂隙和洞室)保持協(xié)調(diào),而且采用結點位移投影法和邊界位移加載法實現(xiàn)了不同尺度網(wǎng)格的平滑過渡,降低了網(wǎng)格劃分的困難節(jié)約了大量的存儲空間。利用裂隙巖體多尺度損傷演化數(shù)值模型分析了加載速率對巖石損傷局部化的影響,驗證了多尺度網(wǎng)格之間誤差可以滿足

6、工程要求。
　　 ④基于Matlab平臺編制了裂隙巖體多尺度動態(tài)損傷演化數(shù)值模型應用程序(MCWRM),該程序能夠模擬不同尺度裂隙加載和卸荷、拉伸和壓縮等不同工況下的損傷演化行為。詳細說明了裂隙巖體多尺度損傷演化數(shù)值模型的程序的調(diào)用關系及計算流程,解決了多裂隙擴展過程連接處理和多尺度網(wǎng)格過渡等難題,最后通過算例驗證了本文數(shù)值模型的可靠性。算例分析表明,MCWRM程序模擬結果與室內(nèi)模型實驗結果和理論計算結果吻合較好。