岩石弹塑性损伤模型及其应用研究

论文摘要

岩石损伤力学研究已近取得很多重大的理论进展,并且为重要的岩石工程如大坝坝基、高陡边坡和地下水电厂房等,提供了非常有效的稳定性评价理论和方法。但是,与众多的岩石工程实践相比,岩石损伤力学的应用还是很有限,尤其是并未得到广大工程专家的普遍接受。究其原因主要是,现有岩石损伤力学是建立在复杂的数学力学理论、昂贵的实验观测仪器和过于简单化的假设基础之上。岩石损伤力学要想真正与实际结合,并在丰富多彩的生产实践中实现其理论价值,必须发展适合工程应用的损伤模型,并将其应用于生产实践,而这正是本文的出发点和课题研究的主要内容。本文提出了适合工程应用的弹性损伤模型,并将其应用于岩石破碎块度研究,节理岩体块度预测以及岩体崩落数值模拟。岩石在单轴压缩条件下的应力应变曲线,是弹塑性损伤信息的综合反映。在实验观察的基础上,利用损伤只影响弹性的假设,将岩石弹性损伤与塑性解耦,得到一维条件下损伤弹性模型,利用双剪强度理论实现一维损伤模型向三维模型的转化。岩石等脆性材料的塑性源于裂隙面之间的摩擦效应。复杂的应力状态和裂隙面摩擦条件,构成了复杂的软硬化特性。基于此观点本文推导了传统塑性力学框架下的三维各向异性弹塑性损伤模型,采用潜在滑移面的塑性位移作硬化变量,其物理概念清晰,便于测定,这比传统上用塑性功等作硬化变量更容易理解,更能反映其物理实质。作为应用,将损伤模型应用于岩石和节理岩体块度预测。一般的块度预测方法是试验室内岩石裂隙或孔洞分维数观测以及节理裂隙交割的几何拓扑计算。本文根据岩石破裂过程分形脆性断裂机理建立块度分形演化模型,并将其应用于节理岩体块度预测。当用块度分维数表征块度分布时,则块度分布系统中的最小碎块尺寸随着岩石单元内部宏观裂隙的发展而逐渐变小。从宏观唯象角度,岩石裂隙的这种分形演化可以用一个损伤变量来描述,据此,建立最小碎块尺寸和岩石损伤变量之间的函数关系,它利用了断裂损伤过程的能量守恒关系。节理岩体块度分布与岩石块度分布具有自相似性,因此,可以将岩石块度演化规律用于节理岩体块度预测,通过计算岩体损伤变量,求出当前岩体损伤状态下的块度分布。作为尝试,将损伤模型应用于地下采矿岩体崩落过程数值模拟。传统上没有很好的量化办法考虑节理裂隙对岩体强度的弱化影响。而在一般的数值分析工具,如ANSYS里没有损伤分析模型。本文通过初始损伤量化节理裂隙造成的影响,并且在ANSYS9.0平台上实现崩落过程弹塑性损伤有限元模拟。利用ANSYS前、后处理程序和弹、塑性求解器,实现常规有限元计算,用APDL语言实现损伤有限元编程分析。模拟计算显示了分步拉底方案下,崩落体拉底空间的应力分布、崩落形状以及位移变化,为现场施工方案的合理制定提供了一定的科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 工程背景与选题意义
• 1.2 损伤力学简介及其发展概况
• 1.2.1 损伤力学简介
• 1.2.2 损伤理论的研究方法
• 1.2.3 损伤力学发展概况
• 1.3 国内外研究现状及发展方向
• 1.3.1 细观损伤力学研究
• 1.3.2 连续介质损伤力学及节理岩体损伤模型
• 1.3.3 研究现状总结
• 1.4 本文的思路及主要工作
• 2 岩石弹塑性损伤模型
• 2.1 岩石损伤特性
• 2.2 一维弹脆性损伤模型
• 2.3 弹性损伤-塑性解耦
• 2.4 基于双剪强度理论的各向同性三维损伤模型
• 2.4.1 双剪强度理论
• 2.4.2 双剪各向同性三维损伤模型
• 2.4.3 损伤模型验证
• 2.4.4 损伤模型对比讨论
• 2.5 基于摩擦塑性的各向异性损伤模型
• 2.5.1 正交各向异性损伤模型
• 2.5.2 摩擦塑性损伤模型
• 2.5.4 验证与讨论
• 2.6 本章小结
• 3 基于损伤能量耗散原理的岩石块度预测
• 3.1 引言
• 3.2 岩石块度分布的分形度量
• 3.3 岩石块度分形演化模型
• 3.3.1 岩石分割的分形损伤断裂机理
• 3.3.2 岩石破碎的分形模型
• 3.3.3 岩石损伤破碎过程能量守恒分析
• 3.4 岩石损伤破碎的理论分析
• 3.4.1 各向同性损伤岩石破碎分析
• 3.4.2 正交各向异性损伤破碎分析
• 3.5 应用
• 3.5.1 公式简化
• 3.5.2 实验确定常数C
• 3.6 本章小结
• 4 金川三矿区岩体节理裂隙统计
• 4.1 金川三矿区地质资料简介
• 4.1.1 地层与构造
• 4.1.2 岩体特征
• 4.1.3 矿体特征
• 4.2 岩体节理裂隙调查网的布置及调查方法
• 4.2.1 调查网布置
• 4.2.2 调查方法
• 4.3 岩体结构面调查资料统计
• 4.3.1 节理产状分组
• 4.3.2 结构面大小确定
• 4.3.3 结构面间距与密度
• 4.4 本章小结
• 5 金川三矿区节理岩体块度预测
• 5.1 引言
• 5.2 岩体裂隙损伤变量
• 5.3 岩体单元块度预测
• 5.4 崩落体的块度预测
• 5.5 本章小结
• 6 金川三矿区自然崩落法采矿数值模拟
• 6.1 损伤有限元分析原理
• 6.1.1 初始损伤、有效应力张量和损伤影响张量
• 6.1.2 弹、塑性损伤有限元方程
• 6.1.3 弹、塑性损伤有限元分析的 ANSYS9.0 实现
• 6.2 崩落体几何模型
• 6.2.1 矿区坐标变换
• 6.2.2 矿体形态
• 6.2.3 1570 中段矿块设计
• 6.3 崩落体有限元模型
• 6.4 崩落过程模拟
• 6.4.1 加载与初始地应力场模拟
• 6.4.2 分步拉底崩落模拟分析
• 6.4.3 崩落机理探讨
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 金川三矿岩石力学实验部分资料
• 1 试件
• 2 岩石单轴压缩试验
• 3 岩石三轴压缩试验
• 4 岩石弱面剪切试验
• 5 试验结果
• 6 块度试验
• 在学研究成果
• 致谢