加卸载围压条件下岩石峰后力学特性试验研究

摘要

岩石的峰后力学特性对充分发挥岩体的承载力以维持地下工程的稳定性、揭示岩体中塑性区的演化发展及岩体工程支护优化设计起着关键作用。因此，研究加卸载围压条件下岩石峰后力学性质对工程设计有着非常重要的意义。本文通过对岩样在残余强度阶段的加卸载围压试验，研究岩石峰后的力学特性，提出了峰后弹性滑移力学机理，并据此建立了数值分析模型，对隧道围岩变形进行数值分析。主要研究内容及结论如下：
　　（1）常规三轴试验中岩石残余强度的大小受峰值强度和围压的影响，在低围压下表现更强的围压敏感性；这是由于低围压下破裂面间只有少量接触，作用力较小，随着围压的增大，接触面逐渐变得规整且面积增大，接触作用增强，应力-应变关系也由脆性跌落向塑性滑移转变；页岩峰值至残余阶段主要发生的是内聚力的丧失过程，而内摩擦角弱化量很小。
　　（2）残余阶段加卸载围压试验中，卸载围压对残余阶段力学特性的影响在多次卸载-多次加载围压、多次卸载-一次加载围压和循环加卸载围压这三种试验方案中具有相同的规律，即在轴向应力处于初始残余阶段限定轴向位移不变，当围压以均匀的速度卸载时，轴向应力也相应地均匀降低；卸载围压至设定值后，轴向应力在施加轴向位移荷载后保持基本稳定，轴向应力-应变关系呈现塑性变形特征。
　　（3）加载围压后，轴向应力-应变曲线可分为三个阶段，第一是在限定轴向位移情况下加载围压时轴向应力随围压增加而增大的轴向应力恢复阶段，第二是稳定围压后施加轴向位移荷载时轴向应力-应变具有与峰前相同的线弹性变形阶段，第三是当轴向应力达到残余应力时产生的弹性滑移变形阶段。
　　（4）残余阶段的力学机理可以简化为弹性岩石块体沿破裂面的摩擦滑移变形。
　　（5）基于岩石残余阶段的弹性滑移作用机理，提出了岩石峰后单结构面的弹性滑移模型，并通过ANSYS的接触单元模拟峰后破裂面间的摩擦滑移作用；模拟了不同围压下三轴压缩试验过程，结果表明模型与实际试验具有较好的拟合性。
　　（6）基于峰后弹性滑移模型，用ANSYS模拟的隧道围岩变形能够很好地反映隧道围岩的变形特性。岩体峰后的沿弱面的滑移变形是隧道围岩变形的主要原因。

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目录

1 绪 论

1.1 课题学术及实用意义

1.2国内外研究现状综述

1.3 研究内容及技术路线

2 岩石峰后残余强度特性

2.1 引言

2.2 残余强度的定义及确定

2.3残余强度的影响因素

2.4 本章小结

3 岩石峰后力学特性试验研究

3.1 前言

3.2实验准备

3.3围压对岩石全应力-应变特征的影响

3.4常规三轴试验下峰后力学性质

3.5加卸载围压对残余阶段力学特性影响试验

3.6本章小结

4 岩石峰后变形机理数值模拟

4.1 前言

4.2 岩石峰后的变形机理

4.3 力学模型的建立

4.4 岩石峰后单结构面脆性滑移模型

4.5 模型的有限元ANSYS实现

4.6室内三轴压缩试验模拟

4.7 本章小结

5 弹塑性滑移模型在隧道围岩变形分析中的应用

5.1工程概况

5.2隧道围岩数值模拟方案

5.3 开挖后围岩变形结果

5.4隧道围岩层间摩擦滑移分析

5.5隧道围岩变形在开挖过程中的演化规律

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目：

B. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文：