岩石（体）宏细观复合损伤理论与应用研究

论文摘要

本文将反映岩石材料内部的损伤缺陷及变化机理的细观基准量,与反映岩石内部损伤累积到一定程度的宏观表现的宏观基准量联系起来,建立岩石宏细观复合损伤模型,研究单轴、三轴压应力作用下损伤岩石的应力应变曲线及特征点的相关性,从宏观和细观两方面研究分析岩石微裂纹变化发展的规律及其宏观特征,并结合宏、细观试验进行对比验证分析,进而分析岩体问题。基于宏细观损伤变量的关系和特征点的相关性,研究深埋圆形洞室围岩损伤问题。本论文进行的主要工作为:1)以细观损伤力学中描述宏观力学性能的裂纹密度作为连续损伤理论中损伤状态的描述参量,建立了单、双标量受压岩石宏细观损伤复合模型和应力应变与裂纹密度的变化关系。通过假设单元的状态处于破坏、损伤、无损三种状态,把宏观损伤统计理论与细观损伤理论结合起来,建立了可以反映岩石应力应变与裂纹密度关系的宏细观复合损伤模型。2)分析了单轴受压岩石裂纹密度变化的扩展规律,探讨了裂纹密度f与应力、应变的变化关系及按Taylor法、广义自洽法、Taylor介质法确定岩体参数的差异和影响。分析了岩石特征点间的相关性,提出了确定岩石残余强度的方法,结合试验结果和资料,分析比较了岩石残余强度确定方法的差异。3)推求了三轴受压条件下分别以单标量和双标量表示的岩石宏细观复合损伤模型,通过实例分析了三轴受压下岩石应力应变随微裂纹密度变化的规律;推导了由单轴抗压指标推求三轴受压下岩石应力应变曲线的计算公式。4)针对上述工作进行了岩石的单轴、三轴受压试验验证,并与扫描电镜和CT试验的结果进行了对比计算分析。5)提出了采用损伤模型表达岩体应力应变曲线参数的方法。讨论了岩体变形模量随围压的变化规律,提出了表示岩体的变形模量E与围压Δσ3关系的指数表达式,表征了裂隙密度参数随围压的增加呈指数关系减小的特征。6)建立了岩体的裂隙密度参数与岩体的完整性系数或体积节理数的关系;分析比较了采用Taylor法、广义自洽法和Taylor介质法进行分析裂隙密度及其相互作用并用于确定岩体参数的差异。提出了通过地质调查统计法、岩体的完整性系数或弹性波方程法确定岩体裂纹密度的方法;7)根据岩体的应力—应变曲线,把洞室围岩的变形划分为弹性区、塑性硬化损伤区和塑性软化损伤区和破裂区4种状态。根据岩体强度各特征点之间的关系,基于莫尔强度理论,推导建立了围岩分区半径、围岩形变压力和围岩变形损伤的计算公式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及立题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 岩石（体）宏观损伤理论研究现状
• 1.2.3 岩石（体）细观损伤理论研究现状
• 1.2.4 岩石（体）宏细观损伤理论研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及思路
• 2 岩石宏细观复合损伤模型研究
• 2.1 概述
• 2.2 宏细观损伤复合模型的建立
• 2.3 单轴受压岩石宏细观损伤复合模型
• 2.4 三轴受压岩石宏细观损伤复合模型
• 2.4.1 双标量岩石宏细观损伤复合模型
• 2.4.2 单标量岩石宏细观损伤复合模型
• 2.5 本章小结
• 3 单轴受压岩石宏细观损伤分析
• 3.1 岩石宏细观损伤复合模型的特征点分析
• 3.2 单轴受压岩石裂纹扩展规律研究
• 3.2.1 裂纹密度随应力应变的变化分析
• 3.2.2 裂纹密度f 的分析
• 3.2.3 裂纹密度的增速变化分析
• 3.3 单轴受压岩石细观试验分析
• 3.3.1 扫描电子显微镜的试验结果分析
• 3.3.2 岩石单轴加载变形过程中各阶段的CT 试验分析
• 3.4 单轴受压岩石的宏观试验分析
• 3.5 本章小结
• 4 三轴受压岩石的宏细观损伤分析
• 4.1 三轴受压岩石宏细观损伤复合模型特征点的确定
• 4.1.1 双标量岩石宏细观损伤复合模型特征点的确定
• 4.1.2 单标量岩石宏细观损伤复合模型特征点的确定
• 4.2 三轴受压岩石裂纹扩展规律研究
• 4.2.1 单、双标量模型岩石裂纹扩展规律的比较
• 4.2.2 不同围压下岩石裂纹扩展规律研究
• 4.3 三轴受压岩石微观试验分析
• 4.3.1 光学显微镜对石英岩试件的观察
• 4.3.2 三轴受压岩石裂纹扩展规律的CT 比较分析
• 4.4 双、单标量的岩石宏细观损伤复合模型的推广
• 4.4.1 双标量岩石宏细观复合损伤模型参数的确定
• 4.4.2 单标量岩石宏细观复合损伤模型参数的确定
• 4.5 修正的双、单标量岩石宏细观损伤复合模型的验证
• 4.5.1 计算对比分析
• 4.5.2 试验分析
• 4.6 本章小结
• 5 岩体宏细观复合损伤模型及参数研究
• 5.1 概述
• 5.2 岩体变形模量与围压的关系
• 5.3 裂纹密度及岩体主要力学参数的确定
• 5.3.1 裂纹密度与岩体主要力学参数的关系
• 5.3.2 岩体微裂纹密度参数f 的确定
• 5.3.3 计算实例与讨论
• 5.4 三轴受压岩体宏细观复合损伤分析
• 5.4.1 现场应力—应变曲线确定岩体基本损伤参数
• 5.4.2 岩体损伤模型参数的确定
• 5.4.3 三轴受压岩体宏细观复合损伤模型验证
• 5.5 本章小结
• 6 在均匀应力场圆形洞室围岩损伤分析中的应用研究
• 6.1 概述
• 6.2 圆形洞室围岩损伤破坏区半径的确定
• 6.3 围岩损伤变形及围岩形变压力分析
• 6.4 与传统解答的比较
• 6.4.1 损伤区半径的比较
• 6.4.2 地应力的影响分析
• 6.4.3 变形模量的影响分析
• 6.4.4 泊松比的影响分析
• 6.4.5 工程应用
• 6.5 本章小结
• 7 主要结论及建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录