干湿循环作用下砂岩的宏细观损伤演化及本构模型研究

摘要

水对岩体具有化学、物理和力学的作用，水-岩相互作用问题是岩土工程（边坡、危岩、坝基、文物保护等）基础性研究课题之一，而干湿循环过程是水－岩相互作用的重要组成部分。本文结合国家自然科学基金项目《干湿循环作用下岩石宏细观累积损伤模型研究》(课题编号：51308567)，在充分借鉴前人研究成果的基础上，采用实验室“烘干-饱水-烘干”过程来近似模拟三峡库区消落带典型岩石受库区水位反复升降的影响，通过室内试验、理论分析及数值计算相结合的方法，进一步对不同干湿循环作用下的岩石累积劣化机理进行了较为深入的研究，对研究库岸边坡的稳定性、预测危岩体的寿命，制定库区防灾减灾措施等提供理论依据，具体研究内容为：
　　①基于Hertz接触理论，研究了“无损-微损”综合筛选法预测岩石强度的理论机制，建立了岩石抗压强度与密度、纵波波速、回弹值的多元回归模型，精确程度比以往的强度预测经验公式更高；通过试验得到不同含水率砂岩“无损-微损”检测参数的尺度效应方程，砂岩的宏观参数与细观参数的尺度效应相互制约、相互影响，“无损-微损”综合筛选法可作为力学试验的参考，对原岩进行分组时，采用同一岩性、同一尺寸、同一含水率的岩样。
　　②本试验选取直径D=50mm，高度h分别为25mm、50mm、100mm三种尺寸的砂岩，对其进行0、1、3、6、10次的“烘干-饱水-烘干”作用，获得了三种尺寸在不同循环周期下“饱和”状态的含水率和渗透率，分析了饱和吸水率和初始渗透率与循环次数的关系。
　　③对三种尺寸不同干湿循环作用下的砂岩进行全断面 CT扫描试验，通过Matlab软件对CT图像进行伪彩色增强处理、最佳阀值下的边缘检测和分形特征分析，获取了不同循环次数下岩样未受损骨架面积比、初始缺陷（微裂隙、孔隙）面积比和CT图像的分形维数（分形维数与循环次数n、含水率线性相关）；以CT数均值定义的损伤变量随着 n的增加非线性累积，不同尺寸的砂岩累积系数不一样（h=50mm系数最大），h=25mm和h=100mm的两个岩样（长宽比均为2）其细观结构较为相似，可归为一类进行分析。
　　④对设计的干湿循环试验的“干燥”和“饱和”状态下砂岩进行了劈裂试验、单轴压缩试验、三轴压缩试验、变幅循环加卸载试验，并对不同力学实验过程中各阶段的能量转化进行分析，得到砂岩的各个力学参数随n的变化规律，“饱和”状态下的岩样其变化规律较“干燥”状态下更明显，即“饱和”状态下砂岩“再干燥”使得岩石的力学性能得到部分恢复；砂岩各力学参数受干湿循环作用的影响强弱不一，岩样的抵抗拉伸的性能对水的敏感性大于抗压性能。
　　⑤岩石类材料在峰值区存在应变硬化和软化行为，本文通过干湿循环作用的砂岩的室内力学试验结果，峰前采用修正的Duncan-Chang模型并验证了其具有唯一解，峰后选取最大主应变（1）作为软化参数，基于M-C屈服准则建立岩石应变软化模型，推导了考虑干湿循环作用的砂岩非线性弹-塑性本构模型，给出了模型各参数的求解公式；基于损伤力学基本理论，分别以能量指标定义了岩石弹性阶段和塑性阶段的损伤变量，给出了不考虑干湿循环初始损伤和考虑初始损伤的不同状态下砂岩损伤演化方程。
　　⑥基于FLAC3D软件的二次开发平台与有限差分理论，获得砂岩的非线性弹-塑性本构模型的有限差分表达式，利用VC++程序实现了干湿循环作用下不同状态下砂岩弹塑性损伤本构模型的二次开发，进而取得了该损伤模型的动态链接计算程序；通过本文模型计算值与两种状态下岩样的试验结果（单轴压缩、三轴压缩）对比显示，二者较为接近，验证了本文损伤模型二次开发的计算程序可适用性与正确性；并通过建立一个简单的边坡模型进行算例分析，对二次开发本构模型和Mohr-Columb模型进行了对比。

目录

1 绪 论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状及评述

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

2 “无损-微损”筛选岩样与强度预测研究

2.1 引言

2.2“无损-微损”筛选方法的理论研究

2.3 两种岩石“无损-微损”综合筛选法试验研究

2.4 砂岩“无损-微损”筛选参数尺度效应研究

2.5“无损-微损”综合筛选法分组研究

2.6 本章小结

3 基于CT试验的干湿循环作用下砂岩的细观损伤演化研究

3.1 引言

3.2 干湿循环试验设计

3.3 干湿循环作用下砂岩的吸水性试验

3.4 干湿循环作用下砂岩的渗透特性试验

3.5 干湿循环作用下砂岩的CT扫描试验

3.6 干湿循环作用下砂岩CT图像定性分析

3.7 干湿循环作用下砂岩CT图像的定量分析

3.8 干湿循环作用下砂岩细观损伤演化特性分析

3.9 本章小结

4 干湿循环作用下砂岩的宏观力学特性试验

4.1 引言

4.2 干湿循环作用下砂岩的抗拉试验

4.3 干循环作用下砂岩的单轴压缩试验

4.4 干湿循环作用下砂岩的三轴压缩试验

4.5 干湿循环作用下砂岩的变幅循环加卸载试验

4.6 干湿循环作用下砂岩的劣化效应分析

4.7 本章小结

5 干湿循环作用下砂岩的能量耗散分析

5.1 引言

5.2 砂岩的能量耗散原理

5.3 劈裂试验能量耗散分析

5.4 单轴压缩的能量耗散分析

5.5 三轴压缩试验的能量耗散分析

5.6 变幅循环加卸载试验的能量耗散分析

5.7 本章小结

6 干湿循环作用下砂岩的宏观累积损伤本构模型研究

6.1 引言

6.2 损伤力学基本理论

6.3 砂岩非线性弹-塑性本构模型推导

6.4 砂岩非线性弹-塑性损伤模型

6.5 干湿循环作用下砂岩宏观累积损伤本构模型

6.6 本章小结

7 干湿循环作用下砂岩非线性弹-塑性本构模型二次开发及应用

7.1 引言

7.2 Flac3D 二次开发环境

7.3 非线性弹-塑性本构模型的二次开发

7.4 模型程序验证

7.5 算例分析

7.6 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 论文的创新点

8.3 对后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读博士学位期间获得专利