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层状裂隙岩体弹塑性损伤特性的分析与研究

徐剑  
【摘要】: 在工程建设中,层状岩体是由裂隙系统、结构面和岩石共同组成的复合地质材料,其中常含有大量裂隙、节理、层理、断层、软弱夹层及孔隙等不同成因类型的地质结构,表现出强烈的各向异性、非均匀性和非连续性等性质。目前,工程岩体的弹塑性本构模型已经得到广泛的认可,但其仍然无法定量地估算裂隙和节理等损伤对层状岩体性质的影响,实际应用往往受到很多限制,也与绝大多数真实工程岩体的力学行为不甚相符。因此,有必要研究层状裂隙岩体的损伤特性和本构模型,以期望对真实岩体有更好的认识和描述。 本文在众多国内外学者研究的基础上,探讨研究了工程中常见的层状裂隙岩体,将具有结构面影响层的层状岩体视为各层均为横观各向同性层状材料,其中的数量巨多、中等规模的裂隙系统视为岩体材料中存在的一种初始“损伤”,利用损伤力学的原理和研究方法定量地分析层状裂隙岩体的物理力学性质。首先利用弹性力学的研究观点和方法,根据力的平衡、变形协调、应变能相等的条件,用层状岩体内各层的厚度及其弹性常数来描述与之等效的均匀连续体的弹性性质;在层状裂隙岩体中,考虑结构面对其相邻两侧岩体的影响范围,并将结构面与其相邻两侧的一定厚度的岩体共同组合成一种三层的复合岩体(定义为结构面影响复合层),运用分层材料等效弹性性质的原理,推导出结构面影响复合层的等效弹性性质表达式;再将结构面及其影响范围的复合层状岩体(结构面影响复合层)作为整个层状裂隙岩体中的单独一层与其他各岩层组合起来推导整个岩层的等效弹性性质。运用损伤力学以及断裂力学理论,通过对层状裂隙岩体内的应力、应变的体积平均的方法,分别考虑裂隙系统产生的面积损伤对岩体应力的影响和裂隙面的间断位移引起的岩体损伤应变,建立了层状裂隙岩体的损伤演化方程和本构关系,采用H0ek-Brown强度准则作为岩石的损伤强度。 结合深溪沟水电站窑洞式安装间工程的实际情况,利用本文理论对其洞室开挖、施工过程进行了详细的损伤数值计算分析;计算结果合理,表明该本构关系较传统的弹塑性本构对层状裂隙岩体的描述具有显著的优化,具有一定的普遍性和较好的参考价值。


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