基于弹性波传播特性试验的深部裂隙岩体损伤本构模型研究

摘要

近年来随着弹性波测试技术在岩石损伤检测领域的广泛运用，基于弹性波相关参数对裂隙岩体损伤力学特性的研究已步入到了定量化的阶段，大量研究成果表明弹性波在经过不同损伤程度的岩体时，其表现出来的传播与衰减特性会不一样。基于此，本文主要开展了以下几方面的工作： （1）以应力波传播理论为基础总结分析了无限弹性介质、无厚度裂隙介质中弹性波传播的波动方程，而后采用不连续位移法和等效介质模型法对弹性波在有厚度单裂隙岩体以及有厚度单组平行裂隙岩体中的透反射规律进行了理论推导。上述研究内容为弹性波传播特性试验中岩体内部的裂隙数量、裂隙分布角度设计以及试验中弹性波主要参数的监测提供了依据。 （2）基于相似理论和配合比试验，以锦屏二级水电站深埋隧洞围岩为原型研制出了满足模型试验相似要求的完整岩样和具有不同裂隙数量、裂隙分布角度的裂隙岩样。针对深部岩体所处的高地应力条件、复杂的应力状态以及取样困难的特点，在峰值强度前阶段利用拉压真三轴仪对上述岩样进行了围压为0.6MPa、1.2MPa、1.8MPa（模拟20MPa、40MPa、60MPa的高地应力水平）的三轴压缩、三轴拉压加载方式下的弹性波传播特性试验，结合试验深入研究了深部裂隙岩体中弹性波波速、波幅的变化规律，分析了应力作用、裂隙数量、裂隙分布角度对弹性波传播特性的影响。 （3）基于弹性波传播特性试验对完整岩体、裂隙岩体的宏观损伤演化过程进行了定性的对比与分析，在此基础上对不同加载方式下深部裂隙岩体宏观裂隙（损伤）的起裂应力和扩展长度进行了研究；通过比较弹性波波速和弹性波波幅反映裂隙岩体宏观损伤演化过程的敏感程度，给出了采用弹性波波幅定义的宏观损伤变量，并对深部裂隙岩体的宏观损伤演化过程进行了定量的研究。 （4）通过应变等价原理的运用，在对宏观损伤变量张量化的基础上结合统计损伤理论定义的细观损伤变量对基于宏观裂隙和细观裂隙耦合的深部裂隙岩体各向异性损伤本构模型展开了研究，并采用深部裂隙岩体在室内模型试验中的应力-应变关系对该本构模型的合理性进行了验证。 （5）将宏细观损伤张量引入到FLAC3D摩尔-库仑模型完成了宏细观损伤本构模型FLAC3D形式的建立。采用该模型和摩尔-库仑模型分别对不同加载方式下裂隙岩体的弹性波传播特性试验进行了重现，对宏细观损伤本构模型的合理性和优越性进行了验证和比较。结合现场实测围岩松动圈数据基于该模型和摩尔-库仑模型分别对锦屏水电站深埋引水隧洞开挖过程中的围岩损伤区进行了对比与分析。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 深部岩体力学特性研究现状

1.2.2岩体中弹性波传播特性研究现状

1.2.3不同加载方式下岩体中弹性波传播特性研究现状

1.2.4岩石损伤本构模型研究现状

1.2.5岩体室内模型试验研究现状

1.3 目前研究中存在的不足

1.3.1模型试验及裂隙制作存在的不足

1.3.2深部裂隙岩体弹性波传播特性试验研究中存在的不足

1.3.3深部裂隙岩体损伤本构模型研究中存在的不足

1.4研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线

1.4.3创新点

第2章 裂隙岩体中弹性波传播特性的理论研究

2.1无限弹性介质中弹性波的传播特性

2.2无厚度裂隙处的弹性波传播特性

2.3有厚度单裂隙岩体中弹性波的传播特性

2.3.1三轴压缩条件下岩体中单裂隙处的弹性波传播特性

2.3.2三轴拉压条件下岩体中单裂隙处的弹性波传播特性

2.4 单组平行裂隙岩体中弹性波的传播特性

2.4.1裂隙岩体动态连续等效模型

2.4.2岩体动态连续等效模型中参数的确定

2.5本章小结

第3章 深部裂隙岩体中弹性波传播特性试验

3.1深部裂隙岩体弹性波传播特性试验的监测采集系统

3.1.1拉压真三轴仪

3.1.2应变采集系统

3.1.3弹性波监测系统及数据处理方法

3.2深部裂隙岩体相似材料配合比试验

3.2.1相似理论

3.2.2相似材料选取原则

3.2.3节理裂隙的制作方法

3.2.4模型岩样相似材料的力学试验

3.2.5深部裂隙岩体模型试样的制作

3.3 模型试验加载方式的选取

3.4 三轴压缩条件下深部裂隙岩体中弹性波传播特性试验

3.4.1试验过程及数据处理

3.4.2试验结果分析

3.4.3弹性波传播衰减规律的影响因素研究

3.5 三轴拉压条件下深部裂隙岩体中弹性波传播特性试验

3.5.1试验过程及数据处理

3.5.2试验结果分析

3.5.3弹性波传播衰减规律的影响因素研究

3.6 本章小结

第4章 基于宏观裂隙的深部裂隙岩体损伤特性研究

4.1不同加载方式下深部裂隙岩体的损伤演化过程

4.2不同加载方式下深部裂隙岩体宏观裂隙的起裂应力

4.2.1三轴压缩条件下深部裂隙岩体宏观裂隙的起裂应力

4.2.2三轴压缩条件下宏观裂隙起裂应力的试验验证

4.2.3三轴拉压条件下深部裂隙岩体宏观裂隙的起裂应力

4.2.4三轴拉压条件下宏观裂隙起裂应力的试验验证

4.3不同加载方式下深部裂隙岩体宏观裂隙的扩展长度

4.3.1三轴压缩条件下深部裂隙岩体宏观裂隙的扩展长度

4.3.2三轴拉压条件下深部裂隙岩体宏观裂隙的扩展长度

4.4基于波幅的深部裂隙岩体宏观损伤变量和损伤演化规律

4.4.1基于波幅的深部裂隙岩体宏观损伤变量

4.4.2宏观损伤演化分析

4.5本章小结

第5章 基于宏细观裂隙耦合的岩体损伤本构模型

5.1基于细观裂隙的岩石损伤变量

5.2基于宏细观裂隙耦合的深部裂隙岩体损伤本构模型

5.3宏细观裂隙耦合的深部裂隙岩体损伤本构模型的验证

5.3.1基于细观裂隙的岩石损伤本构模型

5.3.2基于宏观裂隙的深部裂隙岩体损伤本构模型

5.3.3基于宏细观裂隙耦合的深部裂隙岩体损伤本构模型的验证

5.4本章小结

第6章 宏细观损伤本构模型的数值试验及工程应用

6.1宏细观损伤本构模型FLAC3D形式的建立及运算

6.1.1宏细观损伤本构模型FLAC3D形式的建立

6.1.2 FLAC3D宏细观损伤本构模型的运行

6.2试验方案

6.2.1裂隙岩体等效计算模型

6.2.2计算参数

6.2.3数值计算步骤

6.3单裂隙岩体数值试验验证与分析

6.4单组裂隙岩体数值试验验证与分析

6.4.1不同裂隙角度的岩体分析

6.4.2不同裂隙数量的岩体分析

6.4.3不同围压条件下的岩体分析

6.5 锦屏二级水电站深埋隧洞围岩开挖数值模拟

6.5.1工程概况

6.5.2 引水隧洞断面松动圈测试

6.5.3隧洞计算模型和岩体损伤临界值

6.5.4 计算结果分析与对比

6.6本章小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

博士期间发表的论文

博士期间参加的科研项目

博士期间参加的工程科研项目

致谢