裂隙岩体损伤流变断裂力学模型及其工程应用

摘要：

结合"八五"国家科技攻关项目"三峡船闸高边坡关键技术研究"及国家自然科学基金重大项目子课题"三峡船闸开挖卸荷岩体高边坡的稳定变形机制及加固优化措施",采用理论和试验分析的方法,从细观尺度到宏观尺度研究了岩石的损伤流变断裂,建立了裂隙岩体的损伤流变断裂力学模型,并将其应用于三峡永久船闸高边坡稳定分析.本论文包括以下内容:采用扫描电镜测试方法,即时观测加载过程中裂纹的瞬时扩展和流变扩展过程,研究了含倾斜割缝单轴压缩试件和紧凑拉伸试件裂纹的流变扩展机理;应用裂纹奇异单元,建立了用于裂纹流变扩展计算的细观力学模型.随后采用这一模型,分析了含微裂纹的紧凑拉伸试件,在给定位移和给定荷载作用下的主裂纹流变扩展过程;计算得到的给定位移加载条件下裂纹扩展过程与细观实验得到的结果吻合较好,从而验证了该模型.根据实验和理论分析,得到了裂纹流变扩展的细观力学机理.从含裂纹岩石的变形机理出发,将岩石的变形分解为岩石介质的变形、裂纹闭合滑移变形和分支裂纹扩展引起的变形,通过建立等效柔度和考虑分支裂纹扩展引起的侧向扩容计算公式,得到了岩石的概化力学模型.采用此模型,分析了含裂纹小试件的加载过程中应力应变关系,并预测了三峡船闸高边坡裂隙岩体的力学参数.针对岩石裂纹在低于断裂韧度的荷载作用下,存在亚临界扩展这一现象,采用双扭试件和自行研制的加载设备,试验研究了三峡船闸花岗岩的亚临界裂纹扩展.采用UCAM-5B自动巡回监测仪量测加载过程中试件的位移和应变.根据试验结果,得到了花岗岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系和花岗岩的断裂韧度.讨论了亚临界裂纹的扩展机制,确定了三峡船闸高边坡稳定分析中花岗岩断裂力学参数的取值范围.由于试验方法设计合理,试验结果是可靠的.采用位错密度的概念,并假设裂纹流变扩展是由于裂纹面滑移引起的,推导了压应力状态下裂纹尖端的应力强度因子计算公式,并应用亚临界裂纹的扩展试验结果,计算了裂纹的流变扩展长度与时间和荷载之间的关系.在将单一裂纹流变扩展引入多裂纹体时,考虑了裂纹之间的相互作用.在热力学框架中,推导出裂隙岩体的损伤流变断裂力学模型,并编制了有限元程序.最后,将所建立的裂隙岩体的损伤流变断裂力学模型应用于三峡船闸高边坡分析计算,预测了三峡船闸开挖后的长期变形和稳定性.与现场观测资料对比,该模型计算结果合理.利用三峡永久船闸高边坡的监测资料和岩石流变试验成果,确定了三峡船闸高边坡岩体的流变力学模型,反分析了高边坡裂隙岩体的流变力学参数;并利用反分析成果,预测了船闸高边坡全部开挖后的长期稳定性,为三峡船闸高边坡的设计提供了依据.

关键词：裂隙岩体、损伤、流变断裂、细观实验、亚临界裂纹扩展

所属期刊栏目：19

分类号：P5(地质学)

在线出版日期：2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共1页

页码：130