重庆地区典型岩石损伤断裂特性实验研究

摘要

岩石的损伤断裂破坏是一个全球性的岩质区域地质灾害防灾减灾的科学难题，岩石的损伤断裂特性一定程度上决定了岩体的变形，强度和稳定性，往往诱发崩塌、滑坡、隧道塌方等地质灾害，本文针对重庆地区典型岩石（包括砂岩、泥岩和石灰岩），采用室内实验和理论分析相结合的方法，基于岩石力学、弹塑性力学、损伤力学和断裂力学等理论，系统研究该区域典型岩石的损伤断裂特性，取得的主要研究成果如下:
　　(1)通过静态单轴压缩实验，获取了重庆地区三种典型岩石的力学强度参数，分析了岩石在单轴压缩过程中的变形特征，探讨了岩石的破坏形式和断面形态。
　　(2)基于岩石疲劳损伤特性实验，利用岩石单轴循环加卸载应力应变曲线，分析了不同频率周期荷载作用下三种岩石的变形特性，根据岩石破坏裂纹形态和分布特征，探讨了不同频率周期荷载作用下岩石的疲劳破坏形式及其破坏机理，并构建了不同频率周期荷载下岩石疲劳变形本构模型。
　　(3)基于能量理论，揭示了不同岩性岩石在周期荷载作用下能量耗散趋势，结合疲劳破坏实验和静态单轴压缩实验，明晰了疲劳变形曲线完全受控于静态全应力应变曲线，疲劳破坏控制应变即为周期荷载上限应力所对应的静态全应力应变曲线峰值后应变软化阶段的应变。
　　(4)基于岩石累积塑性应变率和损伤耗能率，构建了岩石的疲劳损伤模型;采用分段双曲线模型，建立了岩石的损伤变量表达式;推导了岩石疲劳损伤演化方程，揭示了不同频率周期荷载作用下岩石的损伤演化规律。
　　(5)通过岩石断裂特性实验，获取了重庆地区三种典型岩石的断裂韧度KIC;探讨了岩石的断裂破坏机理，明晰了岩石断裂过程中能量的转换，分析了岩石破坏裂纹的形态、分布以及断面形貌特征。
　　(6)运用断裂力学理论，获取了裂纹尖端应力分量表达式，采用最大周向应力理论，构建了基于Drucker-Prager准则的岩石断裂破坏判据;并在此基础上，首次提出了描述岩石韧带区裂纹扩展程度的一个新变量—裂纹扩展变量Γ，进而有效量化了裂纹发育程度，揭示了荷载作用下岩石的断裂破坏演化规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩石疲劳特性研究

1．2．2 岩石损伤特性研究

1．2．3 岩石断裂破坏机制研究

1．3 研究内容及思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路

第二章 重庆地区自然地理及工程地质条件

2．1 自然地理概况

2．1．1 地理位置及交通状况

2．1．2 气象水文条件

2．2 工程地质条件概况

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 地震活动特征

2．2．5 水文地质条件

2．2．6 人类工程活动

2．3 本章小结

第三章 损伤与断裂力学理论基础

3．1 损伤力学的基本概念和原理

3．1．1 Kachanov损伤的概念及其拓展

3．1．2 损伤类型及损伤变量

3．1．3 等效性假定

3．1．4 损伤演化方程

3．2 损伤力学的研究方法概述

3．2．1 唯象学方法

3．2．2 金属物理学方法

3．2．3 统计学方法

3．2．4 宏观与细观相结合的方法

3．3 断裂力学基本原理

3．3．1 断裂力学基本概念

3．3．2 断裂力学主要研究内容和方法

3．3．3 断裂力学基本理论

3．4 损伤与断裂力学在岩体工程中的应用

3．4．1 岩体损伤本构描述

3．4．2 岩体断裂破坏力学分析

3．5 本章小结

第四章 重庆地区典型岩石损伤断裂特性实验

4．1 岩石力学强度参数测试

4．1．1 测试内容及要求

4．2 岩石损伤特性实验设计

4．2．1 实验目的

4．2．2 实验方法及工况

4．2．3 实验准备和实验过程

4．2．4 岩石损伤特性实验数据处理

4．3 岩石断裂特性实验设计

4．3．1 实验目的

4．3．2 实验原理

4．3．3 实验方法

4．3．4 实验准备和实验过程

4．3．5 岩石断裂特性实验数据处理

4．4 本章小结

第五章 不同频率周期荷载作用下岩石变形及疲劳损伤特性研究

5．1 岩石单轴压缩试验

5．2 不同频率周期荷载作用下岩石变形特性及其本构模型

5．2．1 不同频率周期荷载作用下砂岩变形特性分析

5．2．2 不同频率周期荷载作用下泥岩变形特性分析

5．2．3 不同频率周期荷载作用下石灰岩变形特性分析

5．2．4 不同频率周期荷载作用下岩石本构模型

5．3 不同频率周期荷载作用下岩石阻尼比计算分析

5．3．1 阻尼比的定义

5．3．2 不同频率周期荷载作用下岩石阻尼比的计算分析

5．4 周期荷载作用下岩石变形与静态全过程曲线对比

5．5 周期荷载作用下岩石疲劳损伤演化趋势

5．5．1 疲劳损伤模型

5．5．2 不同频率周期荷载作用下岩石疲劳损伤演化趋势

5．6 本章小结

第六章 重庆地区典型岩石断裂特性研究

6．1 岩石断裂韧度测试

6．2 岩石断裂机理分析

6．2．1 岩石的断裂破坏机理

6．2．2 岩石裂纹形态与分布

6．2．3 岩石断裂面特征分析

6．3 岩石中心穿透裂纹尖端应力场

6．4 岩石断裂破坏判据

6．5 岩石断裂破坏演化规律

6．6 本章小结

第七章 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

致谢

参考文献

附录：在学期间发表的论文和取得的学术成果