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

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εps的增大而减小，内摩擦角ψ随塑性参数εps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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 岩石卸荷破坏国内外研究现状

1．2．1 岩石卸荷破坏试验研究

1．2．2 岩石破坏过程声发射特性

1．2．3 岩石破坏本构模型

1．3 存在问题

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 本文研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 大理岩加卸荷破坏全过程特征应力研究

2．1 试验方案设计

2．2 大理岩变形破坏过程应力-应变曲线

2．3 大理岩变形破坏过程特征应力

2．3．1 大理岩变形破坏过程各阶段裂纹变化特征

2．3．2 特征应力确定方法

2．3．3 大理岩变形过程各阶段特征应力

2．4 大理岩变形破坏过程剪胀角变化特征

2．5 本章小结

第3章 大理岩加卸荷破坏全过程的声发射参数特征

3．1 大理岩破坏过程声发射信息去噪的ESMD方法

3．2 大理岩破坏过程声发射试验结果分析

3．3 大理岩破坏过程声发射特征

3．4 大理岩破坏过程声发射频谱特征

3．5 大理岩破坏过程声发射分形特征

3．5．1 声发射分形维数计算方法

3．5．2 相空间维数的确定

3．5．3 声发射分形特征

3．6 本章小结

第4章 大理岩破坏过程损伤本构模型

4．1 大理岩变形过程的黏结弱化-摩擦强化现象

4．2 基于黏结弱化-摩擦强化现象的工程模拟

4．2．1 模型参数

4．2．2 塑性区分析

4．2．3 位移分析

4．2．4 应力分析

4．3 岩石本构模型建立

4．3．1 定义损伤变量

4．3．2 弹性模量随围压变化规律

4．3．3 本构方程建立及参数讨论

4．4 模型验证

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢