干湿循环下节理砂岩力学特性损伤效应及本构模型研究

摘要

由于地下水位变化、降雨及库区水位升降，岩土体长期处于干湿交替的环境中，这种长期的干湿循环必然导致岩土体力学特性劣化，进而引发一系列的地质灾害。三峡水库更因调度运用而形成受干湿循环影响严重的消落带，部分消落带岩体最终因外荷载、节理及干湿循环的耦合作用而发生破坏。因此，探究消落带岩体在干湿循环作用下的力学特征劣化效应，揭示其宏细观损伤劣化机制，建立可以考虑干湿循环效应的节理岩体宏细观耦合损伤本构模型，对于加强库岸斜坡岩体的稳定性分析及库区地质灾害防治工作具有重要的理论价值和实际意义。为了探寻节理岩体的干湿循环损伤劣化机制，本文依托国家自然基金面上项目“干湿循环下节理岩体宏细观损伤劣化机制及本构模型研究（51978106）”，针对库岸斜坡岩体遭受干湿循环作用而引起的力学特征劣化问题，采用室内试验（宏细观）、数值模拟及理论分析等方法，并结合岩石力学、损伤力学及线弹性断裂力学等理论，对干湿循环作用下节理砂岩的宏观力学特征、劣化效应、破坏特征、损伤演化应变场及声发射特征、断裂准则、能量演化机制、细观损伤演化机制、宏细观耦合损伤变量及损伤本构模型进行了全面而系统的研究，主要的研究内容及结论如下：　　①通过节理砂岩的室内干湿循环试验，开展了干湿循环下节理砂岩宏观力学特征研究。结果表明：干湿循环初期节理砂岩应力应变曲线峰前塑性变形阶段不明显，而当干湿循环到达一定次数后，应力应变曲线的塑性变形阶段开始变得明显，且其峰后破坏大都具有明显的脆性特征；随着干湿循环次数的增大，节理砂岩破坏时发生岩块弹射（对应翻译）的剧烈程度逐渐降低，破裂声响也逐渐较小；随着干湿循环次数的增大，岩样的抗拉压强度及弹性模量均呈对数函数递减规律；节理岩样的Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则强度包络线随着干湿循环次数的增大逐步缩小，且完整岩样强度包络线的缩小幅度大于节理岩样。　　②通过声发射及数字图像技术分析方法量化追踪干湿循环后节理砂岩裂纹演化及破坏特征，建立了干湿循环条件下岩石的断裂准则。干湿循环作用对节理岩样的破坏模式影响显著，随着干湿循环次数的增大，节理岩样破坏由最初只出现裂纹，转变为同时出现不同形式裂纹和表面溃屈剥落现象，且岩样表面的溃屈剥落程度在不断的加重；干湿循环后节理岩样声发射事件主要经历了4个阶段：初始活跃期、平稳活跃期、指数活跃期和高峰活跃期，干湿循环后节理岩样的声发射特征明显减弱，节理岩样在变形破坏过程中小型声发射事件的比例随着干湿循环次数的增加而逐渐增大；考虑干湿循环断裂判据计算出的断裂韧度与断裂试验所得的变化规律一致，说明建立的断裂判据可用于干湿循环作用下岩石断裂韧度的估算。　　③基于岩石能量耗散理论，研究了干湿循环下节理岩样的能量演化机制，分析了峰值点能量指标的干湿循环效应和围压效应。节理受荷能量损伤演化划分为6个阶段，即初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段、突变损伤阶段、损伤破坏阶段；峰值点弹性应变能与总能量随干湿循环次数增大而逐步减小，二者与干湿循环次数拟合公式符合对数递减规律；弹性能耗比变化率出现连续突变和剧烈突变，预示着节理岩样裂纹扩展和失稳破坏；岩样在峰值点处轴向压力所产生的能量U1和弹性应变能Ue都随着围压的增大呈线性增大趋势，围压做负功消耗的应变能U3随着围压的增大呈线性负增大趋势，静水压力所产生的能量U0也随着围压的增大而线性增大，且U0随着节理数量增多而逐渐增大。　　④对干湿循环下节理砂岩开展了细观试验研究，并利用颗粒流模拟分析干湿循环下节理砂岩的细观损伤演化机制。干湿循环作用造成岩样内部损伤不断加剧，低等级孔隙逐步向高等级孔隙范围转变，孔隙结构的整体变迁路径为小孔隙-中孔隙-大孔隙，小孔隙和小孔喉的占比都随干湿循环次数增加呈逐渐减小趋势，而中孔隙、中孔喉与大孔隙、大孔喉占比则随着干湿循环次数的增加而逐步增大；干湿循环下节理岩样裂纹演化大都经历缓慢增加、匀速增加、阶梯增加及突变增加四个阶段，峰值点处的细观裂纹数目随着干湿循环次数的增加而不断增多；节理砂岩内部碎屑颗粒的挤压破碎、拉伸断裂及溶蚀作用等共同导致其细观孔隙结构发育，造成岩样孔隙度与渗透率的增大，岩样内部这些细观损伤演化是造成节理砂岩力学特征劣化的本质原因。　　⑤基于连续损伤力学与线弹性断裂力学，结合室内试验结果，分别推导了宏观节理损伤变量、受荷细观损伤变量及干湿循环损伤变量的计算公式，利用应变等效原理建立了可以综合考虑宏观节理损伤、受荷细观损伤及干湿循环损伤的宏细观耦合损伤张量，最后，基于损伤理论建立了干湿循环条件下节理砂岩宏细观耦合损伤本构模型，并对本构模型的初始压密段进行修正，利用修正的本构模型对干湿循环下节理砂岩的应力应变曲线演化进行了预测，并将其与室内试验应力应变曲线进行对比，验证了本文所建立干湿循环下节理砂岩宏细观耦合损伤本构模型的可靠性。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 干湿循环下岩石力学特性研究

1.2.2 干湿循环下节理岩体裂纹扩展及能量演化研究

1.2.3 干湿循环下节理岩体细观损伤演化及本构模型研究

1.2.4 存在的问题

1.3 本文主要研究内容

1.4 研究技术路线

2 干湿循环下节理砂岩强度损伤劣化试验研究

2.1 引言

2.2 岩样制备与岩矿分析

2.2.1 节理岩样制备

2.2.2 节理岩样矿物分析

2.3 试验方案与设备

2.3.1 实验方案

2.3.2 试验仪器

2.4 干湿循环下节理砂岩力学特性

2.4.1 节理岩样吸水性试验

2.4.2 完整岩石抗拉强度实验

2.4.3 节理岩样单轴压缩实验

2.4.4 节理岩样三轴压缩实验

2.5 干湿循环下 M-C与 H-B准则劣化效应分析

2.5.1 Mohr-Coulomb 准则

2.5.2 Hoek-Brown 准则

2.6 本章小结

3 干湿循环下节理砂岩开裂演化特征及断裂准则研究

3.1 引言

3.2 节理砂岩开裂演化与破坏特征研究

3.2.1 节理砂岩变形破裂特征分析

3.2.2 节理砂岩位移场演化规律分析

3.2.3 节理砂岩局部应变特性分析

3.3 节理砂岩开裂演化声发射特征研究

3.3.1 节理砂岩开裂过程声发射事件分析

3.3.2 节理砂岩声发射 b值变化规律分析

3.4 考虑干湿循环损伤效应的岩石断裂准则

3.5 本章小结

4 干湿循环下节理砂岩损伤破坏能量机制研究

4.1 引言

4.2 能量耗散理论

4.3 抗拉实验能量演化分析

4.4 单轴压缩下节理砂岩能量演化分析

4.4.1 节理岩样损伤破坏能量演化机制

4.4.2 节理岩样能量演化干湿循环效应

4.4.3 裂缝扩展及强度失效能量判据

4.5 三轴压缩下节理砂岩能量演化分析

4.5.1 节理岩样损伤破坏能量演化机制

4.5.2 节理岩样能量演化干湿循环效应

4.5.3 围压对节理岩样能量演化机制的影响

4.6 本章小结

5 干湿循环下节理砂岩细观损伤劣化机理研究

5.1 引言

5.2 节理砂岩细观结构损伤劣化试验研究

5.2.1 核磁共振 T2 曲线分析

5.2.2 核磁共振孔隙度和渗透率分析

5.2.3 核磁共振孔径与孔喉特征分析

5.2.4 矿物成分分析

5.3 干湿循环下节理砂岩细观损伤劣化数值模拟研究

5.3.1 模型建立和参数标定

5.3.2 干湿循环下节理岩样细观力学特征分析

5.3.3 干湿循环下节理岩样细观参数劣化分析

5.3.4 干湿循环下节理岩样细观能量劣化分析

5.4 干湿循环下节理砂岩细观损伤劣化机理分析

5.5 本章小结

6 干湿循环下节理砂岩宏细观耦合损伤本构模型研究

6.1 引言

6.2 损伤力学理论

6.2.1 损伤变量与有效应力张量

6.2.2 应变等价原理

6.2.3 节理岩体损伤张量

6.3 断裂力学理论

6.3.1 应力强度因子

6.3.2 应变能密度因子

6.3.3 能量释放率

6.3.4 裂纹应变能

6.4 节理岩体宏细观损伤变量

6.4.1 宏观节理损伤变量

6.4.2 受荷细观损伤变量

6.4.3 干湿循环损伤变量

6.5 节理砂岩宏细观耦合损伤变量及本构模型

6.5.1 宏细观耦合损伤张量

6.5.2 宏细观耦合损伤本构模型

6.6 损伤本构模型验证与修正

6.6.1 本构模型的验证

6.6.2 本构模型的修正

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 本文创新点

7.3 研究展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C 学位论文数据集

致 谢