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加卸荷应力路径下大理岩变形破坏过程声发射特征与本构模型研究

任明远  
【摘要】:岩体在形成过程和漫长的地质作用下具有初始损伤,是一种典型的非均质材料。地下工程开挖使岩体处于复杂的加卸荷受力状态下,内部损伤不断累积,微裂隙不断扩展、积聚,并最终贯通,岩体发生宏观破坏。加卸荷路径下岩石破坏机理、破坏前兆信息的研究,对岩体工程设计有重要的指导意义。本文开展大理岩加卸荷破坏试验,分析了不同加卸荷应力路径下大理岩变形破坏各阶段应力特征,初步探索了岩石破坏前兆的声发射参数变化,建立了损伤本构模型。论文主要内容如下: (1)基于大理岩常规三轴加荷与卸荷试验结果,分析加卸荷应力路径下大理岩破坏过程各阶段特征应力及剪胀角ψ在变形破坏过程中的变化规律。相同卸荷速率条件下,压密应力对应的环向应变、体积应变随围压的增大而减小,起裂应力及扩容应力随围压增大而增大,加卸荷应力路径下扩容应力对应的环向应变均稳定在(-0.0004±0.0001)范围内。大理岩卸荷破坏的剪胀角在卸围压后先迅速增大,后缓慢降低并保持不变,常规三轴压缩破坏的剪胀角呈单调递增趋势。 (2)采用极点对称模态分解方法(ESMD)对大理岩卸围压破坏的声发射数据进行去噪处理,分析大理岩加卸荷破坏全过程中的声发射变化特征。声发射时频变化呈现波动特征,峰值强度前频率出现突增,临近峰值强度时频率明显降低。声发射分形维数呈现阶段性变化,先增大后减小,在应力达到峰值强度的80%附近出现陡增,破坏时分形维数又出现大幅降低。频率变化特征与分形维的变化规律具有对应关系,声发射频率突然上升且分形维数陡增可认为是岩石破坏前兆。 (3)大理岩加卸荷破坏的初始屈服面和后继屈服面均符合Mogi-Coulomb函数形式,峰值强度前黏聚力c随塑性参数ps的增大而减小,内摩擦角随塑性参数ps的增大而增大。分别采用传统计算模型与考虑黏结弱化-摩擦强化现象模型对某隧洞开挖进行模拟分析,发现传统模型得到的隧道围岩变形、应力与塑性区发展规律偏于保守。利用声发射振铃计数率定义损伤变量,考虑围压对弹性模量的影响,建立考虑围压效应的岩石损伤破坏本构模型,模型对常规三轴和卸荷破坏过程的试验数据拟合较好。


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