干濕循環(huán)作用下砂巖的宏細(xì)觀損傷演化及本構(gòu)模型研究.pdf

1、水對巖體具有化學(xué)、物理和力學(xué)的作用，水-巖相互作用問題是巖土工程（邊坡、危巖、壩基、文物保護(hù)等）基礎(chǔ)性研究課題之一，而干濕循環(huán)過程是水－巖相互作用的重要組成部分。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《干濕循環(huán)作用下巖石宏細(xì)觀累積損傷模型研究》(課題編號(hào)：51308567)，在充分借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)室“烘干-飽水-烘干”過程來近似模擬三峽庫區(qū)消落帶典型巖石受庫區(qū)水位反復(fù)升降的影響，通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，進(jìn)一

2、步對不同干濕循環(huán)作用下的巖石累積劣化機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究，對研究庫岸邊坡的穩(wěn)定性、預(yù)測危巖體的壽命，制定庫區(qū)防災(zāi)減災(zāi)措施等提供理論依據(jù)，具體研究內(nèi)容為：
　　①基于Hertz接觸理論，研究了“無損-微損”綜合篩選法預(yù)測巖石強(qiáng)度的理論機(jī)制，建立了巖石抗壓強(qiáng)度與密度、縱波波速、回彈值的多元回歸模型，精確程度比以往的強(qiáng)度預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式更高；通過試驗(yàn)得到不同含水率砂巖“無損-微損”檢測參數(shù)的尺度效應(yīng)方程，砂巖的宏觀參數(shù)與細(xì)觀參數(shù)的尺度效

3、應(yīng)相互制約、相互影響，“無損-微損”綜合篩選法可作為力學(xué)試驗(yàn)的參考，對原巖進(jìn)行分組時(shí)，采用同一巖性、同一尺寸、同一含水率的巖樣。
　　②本試驗(yàn)選取直徑D=50mm，高度h分別為25mm、50mm、100mm三種尺寸的砂巖，對其進(jìn)行0、1、3、6、10次的“烘干-飽水-烘干”作用，獲得了三種尺寸在不同循環(huán)周期下“飽和”狀態(tài)的含水率和滲透率，分析了飽和吸水率和初始滲透率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。
　?、蹖θN尺寸不同干濕循環(huán)作用下的砂巖

4、進(jìn)行全斷面 CT掃描試驗(yàn)，通過Matlab軟件對CT圖像進(jìn)行偽彩色增強(qiáng)處理、最佳閥值下的邊緣檢測和分形特征分析，獲取了不同循環(huán)次數(shù)下巖樣未受損骨架面積比、初始缺陷（微裂隙、孔隙）面積比和CT圖像的分形維數(shù)（分形維數(shù)與循環(huán)次數(shù)n、含水率線性相關(guān)）；以CT數(shù)均值定義的損傷變量隨著 n的增加非線性累積，不同尺寸的砂巖累積系數(shù)不一樣（h=50mm系數(shù)最大），h=25mm和h=100mm的兩個(gè)巖樣（長寬比均為2）其細(xì)觀結(jié)構(gòu)較為相似，可歸為一類進(jìn)行

5、分析。
　　④對設(shè)計(jì)的干濕循環(huán)試驗(yàn)的“干燥”和“飽和”狀態(tài)下砂巖進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、變幅循環(huán)加卸載試驗(yàn)，并對不同力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中各階段的能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析，得到砂巖的各個(gè)力學(xué)參數(shù)隨n的變化規(guī)律，“飽和”狀態(tài)下的巖樣其變化規(guī)律較“干燥”狀態(tài)下更明顯，即“飽和”狀態(tài)下砂巖“再干燥”使得巖石的力學(xué)性能得到部分恢復(fù)；砂巖各力學(xué)參數(shù)受干濕循環(huán)作用的影響強(qiáng)弱不一，巖樣的抵抗拉伸的性能對水的敏感性大于抗壓性能。
　?、?/p>

6、巖石類材料在峰值區(qū)存在應(yīng)變硬化和軟化行為，本文通過干濕循環(huán)作用的砂巖的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，峰前采用修正的Duncan-Chang模型并驗(yàn)證了其具有唯一解，峰后選取最大主應(yīng)變（1）作為軟化參數(shù)，基于M-C屈服準(zhǔn)則建立巖石應(yīng)變軟化模型，推導(dǎo)了考慮干濕循環(huán)作用的砂巖非線性彈-塑性本構(gòu)模型，給出了模型各參數(shù)的求解公式；基于損傷力學(xué)基本理論，分別以能量指標(biāo)定義了巖石彈性階段和塑性階段的損傷變量，給出了不考慮干濕循環(huán)初始損傷和考慮初始損傷的不同狀態(tài)下

7、砂巖損傷演化方程。
　?、藁贔LAC3D軟件的二次開發(fā)平臺(tái)與有限差分理論，獲得砂巖的非線性彈-塑性本構(gòu)模型的有限差分表達(dá)式，利用VC++程序?qū)崿F(xiàn)了干濕循環(huán)作用下不同狀態(tài)下砂巖彈塑性損傷本構(gòu)模型的二次開發(fā)，進(jìn)而取得了該損傷模型的動(dòng)態(tài)鏈接計(jì)算程序；通過本文模型計(jì)算值與兩種狀態(tài)下巖樣的試驗(yàn)結(jié)果（單軸壓縮、三軸壓縮）對比顯示，二者較為接近，驗(yàn)證了本文損傷模型二次開發(fā)的計(jì)算程序可適用性與正確性；并通過建立一個(gè)簡單的邊坡模型進(jìn)行算例分析，對