含预制裂隙岩石损伤本构模型研究

论文摘要

岩石的强度和变形问题是岩石力学学科的经典课题,也是研究的热点问题之一。该文主要关注岩石变形问题。岩石材料中充斥的裂隙对其力学性质影响较大,在建立反映岩石变形过程的数学或力学模型时,应考虑裂隙的影响。该文围绕岩石变形曲线数学模拟问题,主要开展了如下方面的研究工作:其一为完整岩石或仅含细观裂隙岩石的轴向应力-应变曲线的数学模拟;其二为含有宏、细观裂隙岩石的轴向应力-应变曲线数学模拟;其三为层状裂隙岩石应力-应变曲线的数学模拟;其四为有关岩石损伤方法的应用。该文从不同方面建立了数学力学模型,用于模拟岩石全过程变形,所取得的主要研究成果归纳如下:（1）总结了通过唯象损伤方法建立完整或仅含细观裂隙岩石损伤本构模型的一般框架;通过统计学中的生长曲线模型,建立了岩石的损伤本构模型;改进损伤演化函数,建立了充分反映岩石峰后变形阶段的唯象损伤本构模型;对岩石变形阶段中的闭合阶段展开了讨论;结合分数阶微积分理论,建立了岩石动态变形的唯象损伤模型。上述模型计算结果均与试验值较为接近。（2）从细观角度建立了仅含细观裂隙岩石的损伤本构模型。以Ashby方法为基础,通过修正宏观损伤变量和细观损伤变量度量式,得到了一个新的岩石细观损伤本构模型,模型结果和试验曲线吻合较好;结合细观断裂力学,考虑微裂隙扩展过程,建立了岩石变形的细观断裂本构模型,该模型也可较好地吻合试验曲线。（3）制备类岩石材料,开展单裂隙岩石单轴压缩试验,分析了裂隙倾角对岩石强度的影响规律。并对岩石宏观损伤变量的计算展开了一定的讨论;比较了两种不同宏、细观损伤变量耦合方式的差异;通过拟合方法和宏、细观变量耦合的方式建立了宏细观裂隙岩石的损伤本构模型,计算结果显示,通过拟合方法建立的损伤本构模型更符合实验。（4）开展了层状岩石的三轴压缩试验及含裂隙层状岩石的单轴压缩试验,简要分析了试验结果。计算了层状岩石的等效变形参数;建立了层状岩石的损伤本构模型,并根据宏、细观损伤变量耦合的观点,建立了裂隙层状岩石的损伤本构模型,这些模型的计算结果和试验符合较好;同时,还给出了真三轴工况下的岩石损伤本构模型,以及横向应力-应变曲线及体积应变曲线的模拟方法。（5）讨论了与岩石损伤有关的应用问题:应用损伤的观点模拟蠕变曲线和圆形隧洞应力计算问题。在蠕变模拟部分,发现通过损伤理论能够较好地反映蠕变的三个阶段;在圆形隧洞应力计算部分,基于损伤力学的观点,比较了多种强度准则计算所得隧洞应力以及岩爆临界荷载的差异,表明强度准则的选取对于分析隧洞应力分布具有较大的影响。

论文目录

摘要

Abstract

主要符号说明

第1章绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石全过程应力-应变曲线特征研究

1.2.2 裂隙对岩石力学性质影响

1.2.3 岩石损伤本构模型研究

1.3 本文主要研究内容、技术路线和创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 创新点

第2章裂隙岩石唯象损伤本构模型研究

2.1 引言

2.2 岩石损伤本构模型概述

2.3 基于生长曲线视角的岩石损伤本构模型

2.3.1 模型的建立和参数确定方法

2.3.2 算例验证

2.4 反映岩石峰后阶段变形特性的损伤本构模型

2.4.1 模型的建立和参数确定方法

2.4.2 算例验证

2.5 考虑裂隙闭合阶段的岩石损伤本构模型

2.5.1 模型的建立和参数确定方法

2.5.2 算例验证

2.6 恒应变率下的分数阶损伤本构模型

2.6.1 模型的建立和参数确定方法

2.6.2 算例验证

2.7 小结

第3章裂隙岩体细观断裂损伤本构模型研究

3.1 引言

3.2 基于Ashby方法的岩石细观损伤本构模型

3.2.1 翼裂纹I型应力强度因子

3.2.2 建立裂隙扩展长度与轴向应力的关系式

3.2.3 通过变量代换建立岩石细观损伤本构模型

3.2.4 算例验证

3.3 基于裂隙扩展过程的岩石细观断裂损伤本构模型

3.3.1 模型建立

3.3.2 算例验证

3.4 小结

第4章宏、细观裂隙岩体损伤本构模型探讨

4.1 引言

4.2 预制裂隙岩石单轴压缩试验

4.2.1 试验方案

4.2.2 试验结果

4.3 耦合宏、细观损伤变量的岩石损伤本构模型

4.3.1 宏观损伤的度量

4.3.2 细观损伤的度量

4.3.3 耦合宏、细观损伤变量建立岩石本构模型

4.4 基于拟合方法的宏、细观裂隙岩石损伤本构模型

4.5 计算实例与分析

4.6 小结

第5章含裂隙化层状岩石损伤本构模型探讨

5.1 引言

5.2 试验部分

5.2.1 层状岩石三轴压缩试验

5.2.2 裂隙化岩石单轴压缩试验

5.3 层状岩石等效力学参数

5.4 裂隙层状岩石损伤本构模型

5.4.1 层状岩石损伤本构模型

5.4.2 裂隙层状岩石损伤本构模型

5.5 算例验证

5.6 衍生的讨论

5.6.1 真三轴变形曲线数学模拟

5.6.2 侧向变形曲线和体积变形曲线模拟

5.7 小结

第6章有关岩石损伤理论的应用

6.1 引言

6.2 基于生长曲线的岩石蠕变方程

6.2.1 模型建立

6.2.2 算例及分析

6.3 考虑损伤的圆形隧道应力及岩爆临界荷载计算

6.3.1 模型建立

6.3.2 算例及分析

6.4 小结

第7章结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录A 基于应力度量的岩石损伤本构模型

附录B 不同理倾角的本构关系建立

附录C 层状岩石真三轴损伤本构模型

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李绍红

导师: 吴礼舟

关键词: 岩石力学,裂隙岩石,层状岩石,本构模型,数学模型

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 成都理工大学

分类号: TU45

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000177

总页数: 92

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