高地应力下岩石卸载破坏机理及其应用研究

论文摘要

岩体的变形破坏与其所受荷载状态和赋存环境密切相关,加、卸载均能引起岩体的变形和破坏,应力路径不同导致岩体的变形和破坏过程也不同。基础工程开挖时为卸载,建筑物建成后转为加荷,边坡工程主要为卸载;地下工程中二次应力场中切向应力为加载,径向应力为卸载。开展岩体卸载破坏机理的研究,不但对于揭示卸载岩体的力学行为及其破坏的力学机理、完善和发展岩体力学理论、研究人类工程活动诱发的地质灾害机理等方面均具十分重要的理论意义,而且对于岩体工程实践也具有重大的经济效益和很高的实用价值。十多年来,随着岩石力学的深入发展以及工程建设的需要,岩石卸载试验的研究已在一定程度上得到了开展,在卸载岩石的变形破裂特征,强度与应力路径的关系等方面取得了一些成果,为岩体在卸载状态下的变形破裂性质的研究提供了基础。本文以锦屏水电站的大理岩为主要研究对象,在大量试验的基础上,主要进行了以下几方面的研究工作:(1)在MTS电液压伺服控制刚性试验机上对大理岩进行了单轴压缩试验、不同围压下常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验,得到大理岩在不同的试验方式下表现出不同的强度特性和变形特性,主要表现为:无论是加载还是卸载,围压对岩样的轴向承载力都有较大影响;无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现出脆性破坏的特征,破坏时试样的侧向应变约为轴向应变的两倍,而常规三轴试验试样破坏时侧向应变与轴向应变大致相等;与常规三轴试验相比,卸围压更容易导致岩石发生破裂,其破坏程度也更为强烈,而岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压又更为强烈。为建立大理岩的卸载屈服准则和弹塑性损伤本构模型提供了必要的试验资料。(2)根据试验数掘分别作出了常规三轴试验、峰前和峰后卸围压试验的莫尔强度包络线并用进行拟和。在卸围压试验的基础上,提出了幂函数型莫尔强度准则,并与双参数型莫尔强度准则和抛物型莫尔强度准则作了对比分析,得出幂函数型莫尔强度包线与试验得到的莫尔圆能较好地相切。作出了幂函数型莫尔强度准则在π平面上的破坏曲线。(3)从孔隙度的基本概念出发,定义了材料的损伤变量,以幂函数型莫尔强度准则为屈服条件,采用相关联流动法则,建立了大理岩卸载破坏的弹塑性损伤本构模型,并将模型编制成用户子程序以实现与ABAQUS的连接。(4)基于大型通用有限元软件ABAQUS提供的用户自定义材料子程序接口(UMAT),通过二次开发,在ABAQUS/standard模块中实现了本文建立的大理岩卸载破坏的弹塑性损伤本构模型,分析了锦屏水电站引水隧洞的稳定性,并与ABAQUS原有的莫尔—库伦强度准则计算的结果做了对比分析,进一步验证了模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高地应力
• 1.2.2 卸载试验研究现状
• 1.2.3 岩石的强度理论
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 高围压下岩石卸载试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验仪器和试样制备
• 2.3 单轴压缩试验
• 2.4 常规三轴试验
• 2.5 岩石卸围压试验
• 2.5.1 三轴试验应力路径
• 2.5.2 试验步骤
• 2.5.3 试验结果及分析
• 2.5.3.1 峰前卸围压试验
• 2.5.3.2 峰后卸围压试验
• 2.6 常规三轴试验、峰前卸围压和峰后卸围压试验的对比分析
• 2.7 岩样的破坏形式
• 2.8 几个问题的讨论
• 2.8.1 卸围压是否造成岩样的强度降低
• 2.8.2 卸围压试验比常规三轴试验岩样脆性破坏特征明显
• 2.9 小结
• 第三章 岩石卸载强度准则
• 3.1 引言
• 3.2 双参数抛物型Mohr强度准则
• 3.3 双曲线型莫尔强度准则
• 3.4 幂函数型莫尔强度准则
• 3.5 抛物线型、双曲线型和幂函数型莫尔强度包络线的对比分析
• 3.6 幂函数型莫尔强度准则在π平面上的破坏曲线
• 3.7 加卸载试验在子午平面上的曲线
• 3.8 小结
• 第四章 岩石卸载弹塑性本构模型
• 4.1 引言
• 4.2 弹塑性本构模型
• 4.2.1 屈服条件
• 4.2.2 塑性势函数
• 4.2.3 损伤变量
• 4.2.4 增量型本构关系
• 4.3 基于上述本构模型的用户材料子程序UMAT
• 4.3.1 UMAT子程序流程
• 4.3.2 弹塑性状态的确定
• 4.3.3 应力更新算法
• 4.3.4 屈服函数的导数
• 4.4 本章小结
• 第五章 工程应用
• 5.1 工程概况
• 5.1.1 地层岩性
• 5.1.2 地质构造
• 5.1.3 地应力
• 5.1.4 引水隧洞设计及布置
• 5.2 计算模型及方案
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 计算步骤
• 5.3 模型参数确定
• 5.4 计算结果及分析
• 5.4.1 应力场分析
• 5.4.2 塑性区分析
• 5.4.3 位移分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表论文
• 博士期间参与的研究项目
• 附录: 英文论文