含水及初始损伤岩体损伤断裂机理与实验研究

摘要

岩体中含有大量的初始缺陷，包括空隙、孔隙、微裂纹、节理等，初始缺陷的存在增加了水与岩体接触的程度，改变了岩体的力学和变形特性。工程实践表明水—岩作用是影响岩体工程稳定性的重要因素之一，水与岩体的相互作用效应，不仅包含渗透压力的作用效应，而且还存在着复杂的水—岩化学腐蚀作用，研究表明大部分岩体工程的失稳破坏均与水—岩作用密切相关。目前，随着大规模的岩体工程的建设和营运，为了保证其长期稳定性，针对岩体工程在水环境影响作用下的研究工作具有重要的理论参考价值和良好的工程应用价值，可为边坡工程、水利坝基、公路涵洞、桥梁隧道、地下采矿、石油开采等工程稳定问题研究提供科学依据。
　　 本文研究内容依托国家自然科学基金资助项目（50774093:水岩作用下裂隙岩体流变—损伤—断裂耦合理论及应用;51174228:考虑动水压作用和裂隙表面形貌影响的岩体裂隙开裂扩展研究）、湖南省研究生创新基金项目（CX2009B046:裂隙岩体水腐蚀损伤流变效应的非线性研究）以及中南大学优秀博士研究生学位论文扶植基金（2009ybfz06:裂隙岩体损伤流变断裂效应的非线性研究）。采用损伤断裂力学理论，从实验研究、理论分析和数值模拟等多方面研究水岩共同作用下裂隙岩体的损伤变形和断裂破坏机理进行了深入系统的研究。主要开展了以下几个方面的研究工作:
　　 (1)为研究水化腐蚀对岩石损伤作用，进行了岩体化学损伤效应的动力反应过程分析，研究了水岩接触后矿物成分溶解速率的计算，从理论上探讨了化学腐蚀下等效裂纹扩展的定量化分析方法，通过质量守恒定律计算出裂纹在迹长及隙宽方向的变化，将水化腐蚀后等效成有效裂纹长度，建立了水-岩化学作用下等效裂纹扩展的计算公式。
　　 (2)为研究水作用下软岩损伤劣化效应的时间相依性，采用RYL-600岩石试验机和Instron1342电液材料伺服试验机对经过水浸泡不同时间后的软岩试验样品进行力学参数以及双扭试件的亚临界裂纹扩展试验，分别得到了软岩含水率、强度与变形参数、亚临界裂纹扩展速度V与应力强度因子KI、断裂韧度KIC等参数。试验结果分析表明:软岩含水率、力学参数等与水岩作用时间具有高度线性相关性，可以通过含水率和弹性模量建立软岩劣化损伤速率(D)的函数关系;通过采用双对数坐标空间对常位移松弛法所测试的不同浸泡时间的软岩亚临界裂纹扩展速度V与应力强度因子KI之间的关系研究，发现IgKI-IgV关系具有极好的线性相关性，而且水腐蚀损伤对软岩断裂力学性质有弱化作用，能加快膨胀性软岩亚临界裂纹的扩展，并且软岩水腐蚀作用对岩石裂纹的断裂指标影响显著并具有时间效应。
　　 (3)为研究含初始损伤岩体渐进损伤断裂机制，通过采用预埋抽条法利用水泥砂浆为类岩材料制作不同几何空间分布的多裂纹体进行断裂破坏实验，对单轴加载下含初始损伤裂纹试样的预制裂纹扩展、贯通方式及强度损伤随裂隙空间展布和裂隙数量变化规律进行了探讨。
　　 (4)为研究渗透压作用下含初始损伤岩体的断裂演化，进行了渗透水压力对岩石的损伤断裂研究。对有充填物的压剪裂纹，将损伤概念引入裂纹模型，定义了新的损伤变量，推导出水损伤作用下压剪裂纹的应力强度因子;对处于压剪和拉剪应力状态的含单裂纹岩体，在水作用下的损伤起裂进行了探讨，给出了考虑水损伤的单裂纹断裂准则。
　　 (5)为研究在动态载荷作用下脆性岩石损伤断裂的演化过程，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验，岩板受到冲击后，边缘出现凹坑，表面裂纹从撞击凹坑扩展到岩板边缘，实验中样品的表面裂纹能有效表征其内部的开裂状况，能有效反映冲击能量的耗散。破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势，同时与入射角度相关，但当破裂区面积急剧下降时，裂纹表面积反而急剧上升，表明裂纹的发生发展有明显的孕育期，在入射能量达到临界值前，主要表现为裂纹孕育增长，在达到临界值后，发生宏观断裂破坏，裂纹面积呈负增长，破裂区面积增大。
　　 (6)为揭示岩体的爆破损伤及损伤累积效应，基于裂纹扩展和声速变化，探讨了岩体损伤及其累积情况的计算方法，针对含水裂隙岩体的爆破损伤问题，进行了水作为垫层和空气作为垫层时的损伤分析;对爆破损伤变量进行定义和推导推导。对数值损伤云图进行了分析，结果表明不同介质作为垫层时，在相同爆破能量下，其引起的损伤区不相同，含水岩体的损伤度要大于以空气作为垫层的岩体损伤。现场监测结果表明爆源距离决定了岩体损伤度，离爆源越近，损伤增量和累积损伤愈大，其变化情况呈非线性，随着爆源距离增加，累积损伤值的变化趋势趋缓，实际监测和计算模型的误差在工程容许的范围内，因而本文探讨的计算岩体爆破损伤方法可以为现场监测结果分析的提供比对依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 含水裂隙岩体的研究对象

1．3 国内外研究现状与意义

1．3．1 岩体损伤弱化与断裂的研究现状

1．3．2 含水裂隙岩体的非线性力学理论

1．3．3 岩体水化—水力效应的研究现状

1．3．4 含水裂隙岩体损伤断裂研究意义

1．4 本文主要研究内容及研究方法

第二章 岩体水化腐蚀损伤断裂机理研究

2．1 引言

2．2 岩体损伤断裂的理论基础

2．2．1 裂纹类型及尖端应力场

2．2．2 复合型裂纹断裂准则

2．3 裂隙岩体水化腐蚀损伤效应分析

2．3．1 水化腐蚀损伤作用对岩体的影响

2．3．2 水化腐蚀损伤的化学过程分析

2．4 基于水化溶解速率的等效裂纹模型

2．4．1 水岩接触后矿物溶解速率

2．4．2 水岩接触化学损伤的区域性

2．4．3 水化损伤的裂纹扩展等效模型

2．5 本章小结

第三章 含水软岩膨胀软化及断裂实验研究

3．1 引言

3．2 水作用下软岩的膨胀软化效应

3．2．1 软岩水化损伤时间效应实验

3．2．2 软岩水化损伤实验结果

3．2．3 软岩水化损伤结果分析

3．3 水作用下软岩的断裂实验

3．3．1 裂纹亚临界扩展现象

3．3．2 双扭实验的基本原理

3．3．3 实验方法和实验过程

3．3．4 试验结果及分析

3．3．5 水作用下软岩亚临界裂纹扩展机制

3．4 本章小结

第四章 应力作用下含初始损伤岩体的断裂演化研究

4．1 引言

4．2 应力作用下初始损伤体裂纹演化

4．2．1 初始损伤的张量分析

4．2．2 不同应力下裂纹扩展分析

4．3 含初始损伤有序多裂纹试验

4．3．1 物理模拟实验

4．3．2 数值模拟试验

4．4 含初始损伤有序裂纹体破坏实验结果

4．4．1 数据记录和计算

4．4．2 有序多裂纹体数值计算结果

4．5 实验结果分析

4．5．1 有序多裂纹扩展的概化模型

4．5．2 有序多裂纹裂纹扩展对比分析

4．6 本章小结

第五章 水力作用下裂隙岩体损伤弱化机理研究

5．1 引言

5．2 岩体渗透结构面的水力学特性

5．2．1 结构面的几何特性

5．2．2 考虑结构面充填物的渗透规律

5．3 不同应力状态下渗透张量分析

5．4 水压力作用下的岩体损伤断裂机理

5．4．1 压剪应力状态下渗流损伤断裂

5．4．2 拉剪应力状态下渗流损伤断裂

5．4 本章小结

第六章 动载作用下含水裂隙岩体的损伤断裂演化

6．1 引言

6．2 岩体的动态力学响应

6．2．1 岩石的动态损伤实验

6．2．2 接触应力理论

6．2．3 损伤变量的定义

6．2．4 碰撞过程有限元分析

6．2．5 物理实验和数值结果分析

6．3 含水岩体的爆破损伤

6．3．1 爆破冲击参数

6．3．2 爆破损伤累积计算

6．3．3 初始损伤裂纹爆破扩展分析

6．3．4 爆破损伤的现场实验

6．3．5 爆破损伤数值分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果

1 发表的学术论文

2 主持或参加的科研工作

3 获得的奖励