渗流—应力耦合下裂隙岩体损伤本构模型研究

【摘要】：渗流—应力耦合下岩石破裂问题是大量岩体工程灾害防治中的一个关键理论难题,正确认识和掌握开采扰动和水压力联合作用下的围岩损伤破裂演化行为,对于深入揭示地质灾害发生机理,实现超前预警都具有重要的意义。本文基于裂隙扩展演化规律,分析岩体脆性破坏机理,构建渗流—应力耦合下裂隙岩体本构模型,主要工作包含以下几个方面:(1)利用扩展有限元结合相互作用积分法,模拟了含原生裂隙岩块的压剪破裂并生成翼裂隙的过程,分析了翼裂隙扩展演化规律,研究了裂隙间距对应力强度因子、应力场强、裂隙间相互作用的影响。(2)建立了基于曲线扩展路径的滑动裂纹模型。考虑闭合效应,推导了原生裂隙起裂条件。引入代表性体积单元,考虑裂隙间相互作用,引入伪力法推导裂尖应力场强。根据最大周向拉应变准则,推导了裂隙岩体脆性破坏判定方法,最终建立了考虑相互影响的均匀分布多裂隙断裂力学模型。借助FISH语言内嵌,将新模型程序化,研究了埋深、侧压系数、断面形状、裂隙迹长、裂隙倾角、裂隙表面摩擦系数对裂隙岩体脆性破坏特性的影响。(3)根据渗流—应力耦合下原生裂隙所处的应力状态,分析了不同应力状态下的原裂起裂规律。采用双曲线模拟扩展路径,研究了渗流场对扩展路径的影响。根据伪力法研究了渗流—应力耦合下的裂隙间相互作用,建立了渗流—应力耦合下均匀分布多裂隙断裂力学模型,揭示了不同渗透压下的深部巷道裂隙岩体脆性破坏特性。(4)根据损伤力学理论,构建了岩石连续各向异性损伤本构方程。同时建立了刚度退化公式、渗透率突变公式。利用提出的断裂力学模型判断裂隙扩展状态和长度,最终构建了渗流—应力耦合下裂隙岩体的损伤本构模型。基于本构模型的二次开发与数值实现,验证了新模型的合理性。