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基于断裂力学和损伤理论的裂隙岩体损伤机理研究

胡峰  
【摘要】:裂隙岩体在复杂的应力条件下,其内部损伤以及损伤演化过程对工程岩体强度、稳定性以及渗流等方面的影响一直是岩石力学与岩石工程中研究的重点与难点。为了研究分析裂隙岩体在复杂应力作用下的损伤以及损伤演变过程对裂隙岩体的宏观力学行为的影响,综合岩石断裂力学、损伤力学以及数值模拟理论对其进行了初步研究。基于断裂力学理论,研究压剪、拉剪应力作用下裂隙岩体内部原生裂纹起裂准则、起裂方位和翼裂纹扩展准则,探讨岩石岩桥强度、裂纹面内摩擦系数、粘结力、岩石内摩擦系数、生裂纹间距、岩桥角、裂纹方位角等对裂纹贯通模式的影响机理。结合断裂力学理论与Betti能量互等定理,运用叠加理论与体积平均等效假设,建立含有多组原生裂纹的裂隙岩体的损伤本构方程,研究荷载作用下裂隙岩石内部的翼裂纹扩展长度和原生裂纹数量的改变规律,揭示裂隙岩体动态损伤演变机制。根据模型计算出裂隙岩体复杂应力作用下的应力-应变关系曲线,通过对已有实验数据进行拟合分析,表明该损伤以及损伤演化本构模型较为准确地反映了孔隙裂隙岩石的物理响应特征,对分析裂隙岩体损伤演化过程中的力学性质具有一定参考作用。由于裂隙岩体内部结构的复杂性,很难从物理本质上研究其动力响应特性。基于TPHM模型,从岩石物理学角度研究了孔隙裂隙对岩石的弹性性质和纵横波速度的影响,建立了孔隙裂隙岩石介质的TPHM波动方程,通过对已有实验数据进行拟合分析,表明该方程较为准确地反映了孔隙裂隙介质动力响应特征,本质上考虑了岩石孔隙裂隙对岩石宏观物理性质的影响,反映了波传递过程中孔隙裂隙介质的非线性弹性行为。在国家自然科学基金面上项目(项目批准号:51374257)、教育部新世纪人才计划项目(项目批准号:NCET-09-0844)资助下进行本论文的研究工作。


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