节理岩体本构模型和其细观力学方法理论研究

摘要

岩体作为一种天然的地质材料,由于自身各种缺陷的存在严重影响岩体的力学性质,许多岩土建筑工程的失稳和破坏都与此有关。本文以节理岩体为研究对象,首先从其特有的各种不连续面入手,较为深入地研究了节理面的静力学特性,然后把微观节理面和宏观岩石统一起来,初步建立了以弹塑性理论为核心的细观力学本构模型。主要内容包括:
　　 (1)基于现有试验结果,采用类比等效分析方法将以往线弹性节理岩体的剪切曲线和剪胀曲线推广为非线性双曲线弹性本构模型。由各个曲线的特点,提出相应的假设以及约束条件得到其曲线关系。然后根据得出的表达式,对相应曲线公式的位移进行求导,即可得到相应的刚度系数。与指数型CSDS模型相比,本模型更易求导和确定材料参数。
　　 (2)从微观角度和宏观行为对节理切向加载作用下的变形机理进行了分析,把微凸体在磨损破坏过程中引起的爬坡现象和伴随的强化现象分开考虑,提出了一种新的弹塑性本构模型。试验表明,在法向和切向载荷共同作用下,由于微凸体的爬坡和啃断作用,节理岩体均会发生一定程度的剪胀和磨损,从而使得抗剪强度降低,由此引入一个初始剪切应力概念体现上述特征。另一方面,由于破碎颗粒的碾压和迁移作用,使得抗剪力学行为由微凸体粗糙度控制逐渐转变为由节理面上形成的紧密夹层的力学行为所控制,抗剪强度提高,在此通过弹塑性随动强化模型来体现这一变形行为。当随动强化模型与初始剪切应力相结合时,即为节理岩体切向加载作用下的剪切应力-切向位移本构关系。其中强化和软化机理共同影响着节理的破坏过程,该模型能较好地描述材料的软化过程。
　　 (3)根据以往对节理表面形态的研究,提出了把两个粗糙曲面接触的非耦合含起伏度节理的接触闭合问题转化为一个光滑起伏度与一个粗糙平面组合的接触闭合问题。然后针对节理岩体切向循环加载下的破坏机理提出了两个相应假设来体现损伤。根据提出的假设推导了节理岩体切向循环加载作用下的本构模型。特别在循环试验过程中出现明显的“偏移”现象以及循环多次后残余剪切强度出现的“偏大”现象进行了深入探讨。
　　 (4)充填节理一般是岩体中最弱的破坏单元,力学行为主要依赖于节理本身以及充填材料的性质,其破坏模式和变形机理与无充填节理相比又有很大的不同。根据以往学者做的充填节理直剪试验结果,详细研究了充填度对节理力学参数的影响。然后再对比分析以往学者提出的几种充填节理岩体剪切强度模型,选用其中一个,用经典的弹塑性理论推导了充填节理岩体增量型应力与位移的本构模型,并对其法向的剪胀与剪缩行为也进行了深入探讨。
　　 (5)针对岩体中分布着大量的不连续面,以连续细观力学为基础,根据两个假设条件研究了用一个等效连续介质材料的响应来代替非均匀介质材料的平均响应问题。对岩体中的节理,主要是把节理单独取出来考虑,然后讨论节理的滑移、闭合以及本身属性等对岩体宏观性能的影响。特别针对节理岩体中含有充填材料这种情况进行了深入研究,求得相应的应力集中张量因子,建立了充填多节理岩体的宏观应力-应变本构模型。根据建立的模型,对岩体单轴压缩试验进行定性分析,讨论了节理内的充填材料对岩体宏观变形的影响。
　　 (6)以弹粘塑性理论为基础,把应力集中张量因子考虑其中,采用串联多层弹粘塑性模型,对节理岩体的宏观等效本构模型编写了相应有限元程序。然后结合实际典型问题进行数值模拟分析,可以看出新模型避免了单独对节理进行复杂的建模与网格的划分,可以应用于实际工程中。