细观非均质岩石材料的力学及变形性质数值研究

论文摘要

随着我国经济社会的快速发展,大量的基础设施建设陆续展开,在土建、交通、水利、矿山、石油和核废料储库等工程领域都存在着大量的岩土工程课题,深基坑高边坡以及高地应力地下工程的开挖、支护和稳定性分析问题日益突出,需要岩土工程的科研技术人员去解决其中的难题。岩石是由颗粒、空隙、裂隙及胶结物组成的非均质材料,非均质性对岩石的力学及变形性质影响显著。在岩石的破裂过程中,缺陷的存在对岩石的破坏形态起着重要的作用,裂纹的萌生和扩展也和同岩石的非均质性密切相关。岩石材料的失稳与破坏、应变局部化、剪切带等热点问题的解决也离不开对岩石材料复杂性的研究,特别是非均质性的研究。因此开展岩石材料非均质性的研究,具有重要的学术价值和工程意义。本文主要分析了岩石材料的细观非均质性,包括以下内容：(1)非均质岩石的建模方法研究。在FLAC3D中实现了基于数值图像技术的非均质岩石建模；含随机缺陷的非均质岩石建模；参数满足统计分布规律的非均质岩石建模。岩石的强度和变形参数可以满足Weibull统计分布。这些建模方法研究和实现扩大了FLAC3D的研究范围,使之可以更方便的应用与非均质材料的性质和工程应用的研究上,同时可以结合FLAC3D自身的优点,如包含丰富的岩土本构模型,可以进行渗流、动力和流变等模式的分析等,为进一步研究岩石材料各种参数非均质性做好了准备。(2)应变软化本构模型的介绍和改进研究。本文首先对应变软化本构模型做了简要的介绍,该模型是岩土工程中常用的本构模型并可以分析岩石峰后软化特性；其次分析了该本构模型的优点和不足,即该模型不能反映岩石损伤破坏后弹性模量的变化,也不能反映围压对岩石本构的影响；最后针对其不足之处通过FISH语言编程做了改进,通过实例对比验证了改进模型的优点和有效性。(3)非均质岩石的力学及变形性质研究。在第二章非均质岩石建模技术研究的基础上,基于FLAC3D进行了非均质岩石的力学试验数值研究。研究了含随机缺陷的岩石材料的变形性质及破坏过程,不同缺陷数目对岩石的力学及变形性质影响,含随机缺陷的岩石破坏声发射性质等。结果表明随着缺陷数目增多,岩石的宏观抗剪强度参数如粘聚力和内摩擦角下降。同时开展了参数满足Weibull分布的非均质岩石材料的性质研究,包括单轴压缩数值试验、三轴数值试验。(4)研究了非均质岩石力学试验的影响因素,包括围压效应分析,加载速率对力学性质的影响,均质度对岩石的力学及变形性质影响。结果表明随着加载速率增大,非均质岩石材料宏观强度增强宏观弹性模量变大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 岩石材料非均质性的研究现状
• 1.2.1 岩石非均质性的理论研究现状
• 1.2.2 非均质岩石的试验研究现状
• 1.2.3 非均质岩石的数值计算研究现状
• 1.3 研究内容及技术路线
• 第二章 非均质岩石的建模方法
• 2.1 基于数字图像技术的非均质岩石建模
• 2.2 含随机缺陷的岩石模型的建立
• 2.3 参数满足统计分布规律的非均质岩石模型建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 本构模型的选择及分析
• 3.1 FLAC3D简介
• 3.2 应变软化本构模型的简介及优点
• 3.2.1 应变软化本构模型简介
• 3.2.2 应变软化本构模型的优点
• 3.3 应变软化本构模型的不足及改进方法
• 3.3.1 应变软化本构模型的不足
• 3.3.2 应变软化本构模型的改进方法及验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 含随机缺陷岩石材料的力学及变形性质研究
• 4.1 含随机缺陷岩石材料的三轴数值试验
• 4.1.1 模型的建立
• 4.1.2 计算结果及分析
• 4.2 缺陷数目对岩石力学及变形性质的影响
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 计算过程
• 4.2.3 计算结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 参数满足Weibull分布的非均质岩石材料的性质研究
• 5.1 非均质岩石材料性质的围压效应分析
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 计算结果及分析
• 5.1.3 结论
• 5.2 加载速率对非均质岩样力学及声发射性质的影响
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 计算结果及分析
• 5.2.3 结论
• 5.3 均质度对岩石性质的影响
• 5.3.1 概述
• 5.3.2 本构关系及计算模型
• 5.3.3 计算结果及分析
• 5.3.4 结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目和主要科研成果
• 参与的科研项目
• 发表及录用文章
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表