非饱和板岩细观试验与本构模型研究

论文摘要

裂隙岩体是水利水电、矿山、石油开采等工程中经常遇到的一类复杂岩体，它的强度、变形和渗透性等特征，将直接关系着工程设计、施工和运营稳定性。 如何从岩体中微裂隙的细观损伤演化特征出发，对不同的细观损伤机制加以区分，并建立能够反映岩体细观结构演化特征的损伤力学模型是目前国内外本学科领域研究的热点与前沿问题之一。 本文从裂隙岩体的微裂隙扩展机理研究入手，以锦屏水电站的非饱和板岩为主要研究对象，研究的工作主要如下： (1)采取在标准岩石试样上预制一对边裂纹的办法，获得了岩石三维闭合裂纹，进行了单轴压缩条件下几种不同岩性岩石三维裂纹扩展的宏观试验研究，研究表明，裂纹的起裂、发展和最终贯通与裂纹的倾角、深度，以及岩桥距离和倾角有关。分析了单轴压缩条件下含三维闭合裂纹试样的破坏模式及其原因。 (2)采用冻土工程国家重点实验室X射线螺旋卧式CT机及岩土专用加载装置，进行了含水平层理和垂直层理锦屏水电站非饱和板岩试样的CT试验，从细观层次解释了板岩水平层理试样与垂直层理试样破坏模式不同的机理，对其损伤演化过程进行了阶段性划分；根据CT原理，推导了基于CT数的非饱和节理岩石标量型损伤变量的计算公式，并对板岩损伤变量进行了计算和分析。 (3)进行了水平层理和垂直层理含预制双裂纹非饱和板岩试样的CT试验，对预制双裂纹板岩试样的损伤演化机理进行了研究，分析了预制裂纹起裂、发展并最终贯通试样的全过程及其对试样强度的影响。 (4)分析了非饱和板岩的力学行为特点，根据岩体的应变特征建立板岩的损伤演化方程，提出了非饱和板岩的渗流应力耦合弹塑性损伤力学模型。 (5)将本文所建本构模型通过子程序与大型商用有限元分析软件ABAQUS相联结，并应用于锦屏电站引水隧洞的围岩稳定性评价，计算结果表明所建模型科学、合理。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的理论意义和工程意义
• 1.2 国内外研究现状及文献综述
• 1.2.1 裂隙岩体断裂损伤研究进展及现状
• 1.2.2 岩石裂隙扩展研究进展及现状
• 1.2.3 裂隙岩体断裂损伤实验研究进展及现状
• 1.2.4 非饱和裂隙岩体的研究进展及现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 岩石三维裂纹扩展宏观试验研究
• 2.1 岩性特征及试样制备
• 2.2 试验设备及试验过程
• 2.3 试验结果及岩石三维裂纹扩展规律研究
• 2.3.1 试验结果
• 2.3.2 裂纹倾角对断裂模式和强度的影响
• 2.3.3 裂纹间距对断裂模式和强度的影响
• 2.3.4 岩性对断裂扩展模式的影响
• 2.4 试验中的几种典型破坏模式
• 2.5 本章小结
• 第三章 非饱和板岩裂隙扩展机理CT试验研究
• 3.1 水平层理非饱和板岩CT试验
• 3.1.1 试样岩性特征
• 3.1.2 试验设备
• 3.1.3 试验过程及结果
• 3.1.4 试验图像信息及数据提取
• 3.1.5 试验数据分析
• 3.1.6 试件整体损伤演化规律
• 3.2 垂直层理非饱和板岩CT试验研究
• 3.2.1 试样岩性特征及试验过程
• 3.2.2 试验结果
• 3.2.3 试验图像信息及数据提取
• 3.2.4 试验数据分析
• 3.2.5 试样整体损伤演化规律
• 3.3 板岩试验结果的对比分析
• 3.4 基于CT的非饱和岩石标量型损伤变量的计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 预制双裂纹非饱和板岩CT试验研究
• 4.1 水平层理预制双裂纹非饱和板岩CT试验
• 4.1.1 试样岩性特征
• 4.1.2 试验过程及结果
• 4.1.3 试验图像信息及数据提取
• 4.1.4 试验数据分析
• 4.1.5 试件整体断裂损伤演化规律
• 4.2 垂直层理预制双裂纹非饱和板岩CT试验
• 4.2.1 试样岩性特征
• 4.2.2 试验过程及结果
• 4.2.3 试验图像信息及数据提取
• 4.2.4 试验数据分析
• 4.2.5 试样整体断裂损伤演化规律
• 4.3 预制双表面裂纹板岩单轴压缩试验结果对比分析
• 4.4 非饱和板岩CT试验的综合分析与研究
• 4.4.1 板岩单轴压缩破坏模式的分析
• 4.4.2 预制裂纹对试样强度的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 非饱和板岩本构模型研究
• 5.1 概述
• 5.2 模型构造
• 5.2.1 有效应力原理
• 5.2.2 孔隙度和渗透系数的动态演化模型
• 5.2.3 饱和度与毛细孔隙压力、孔隙度的关系
• 5.2.4 屈服条件
• 5.2.5 塑性势函数
• 第六章 本构模型的工程应用
• 6.1 工程概况
• 6.1.1 地质构造
• 6.1.2 围岩分类及地层岩性
• 6.1.3 地应力
• 6.1.4 水文地质条件
• 6.1.5 引水隧洞设计及布置
• 6.2 数值计算模型及计算方案
• 6.2.1 数值计算模型
• 6.2.2 计算步骤及边界条件
• 6.3 模型参数确定
• 6.4 计算结果及分析
• 6.4.1 应力场分析
• 6.4.2 塑性区分析
• 6.4.3 位移分析
• 6.4.4 饱和度分析
• 6.4.5 损伤变量分析
• 6.4.6 孔隙度分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 博士期间参加的科研项目
• 致谢