深埋岩体非均质时效破裂机制及细观演化机理

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深部岩体通常处于高地应力环境下,由于受高地应力的影响,与浅部岩体相比,在力学特性上存在很大的差异。其中,最为明显的差异性就是由应力驱动诱导产生的岩体渐进变形破裂,即时效性:岩体的变形随时间的增加而不断累积,最终趋于稳定或者导致岩体丧失承载能力,如时滞性岩爆、时效大变形等。此外,深埋岩体除了受到赋存高地应力作用之外,还受到岩石内部的矿物组分、岩石内部不同尺度的结构以及在地质构造运动中形成的节理裂隙等地质缺陷的影响。目前,关于高应力岩石时效变形破裂细观演化机理的研究尚处于起步阶段,仅有的一些研究成果大都是将岩体视为均质性材料,并不能很好的反映岩体力学特性行为;而对于高应力条件下非均质岩体时效破坏机理的研究则更少,也尚未取得公认的成果。所以,为确保深部岩体工程的建设安全及长期运行安全,开展高应力条件下的深部岩体非均质时效变形破坏机制与分析方法研究是非常必要的。本文以深埋岩体高应力受力特点以及岩体非均质特性这一客观事实为出发点,采用断裂力学、损伤力学、数理统计理论以及数值仿真技术,从理论分析到数值计算方法上深入研究深部非均质岩体时效变形破坏机制及相应的细观演化机理。本文主要的研究工作和成果如下:(1)提出了岩体细观时效力学幂函数型模型理论,构建了基于Weibull分布的岩体非均质细观时效力学模型。该模型包括四个部分,其一在平行粘结正应力和剪应力计算公式中,引入服从Weibull分布的弯扭贡献因子和扭矩贡献因子,表征岩体内部矿物颗粒之间具有不同的胶结强度;其二,引入带有拉伸截止限的摩尔-库伦时效破裂准则,表征岩体内部矿物颗粒胶结的粘结作用和摩擦作用,用于判断岩体内部矿物颗粒胶结的时效破裂模式;其三,引入了基于平行粘结应力的幂函数型粘结直径衰减速率,描述岩石内部矿物颗粒之间不同粘结应力的具有不同的粘结衰减模式;其四,矿物颗粒粘结破裂后,采用线弹性接触滑动摩擦本构,表征粘结破裂后的矿物颗粒能够产生有限的平动和转动,更加符合真实的岩体矿物颗粒的自由运动特性。另外,在运行算法上,解决了岩体非均质细观时效力学模型多参数相互耦合使用时必须满足随机数产生的一致性要求。(2)以锦屏一级大理岩室内试验曲线为基础,通过参数识别法,得到了符合该大理岩宏观力学特性的细观力学参数。采用Weibull随机数生成算法,依据不同的m值,离散相应的细观力学参数。在此基础上,开发了一系列岩体非均质数值模型,对比分析了刚度非均质和强度非均质条件下的岩样,在不同围压水平条件下的微裂纹演化模式、形态曲线以及各项能量耗散规律等,探讨了均质度与围压耦合作用下的岩石扩容特征、宏观受力变形特性(峰值强度、泊松比)、强度特征(裂纹起始应力、裂纹损伤应力)的影响。(3)在岩体非均质细观时效力学模型基础上,进一步构建了以应力阀值为时效驱动界限的岩石细观力学数值模型,分析了单一均质度(m=2.0)下的岩样在不同应力强度比下的蠕变特性规律,获得了不同应力强度比以及单一应力强度比(P=0.4)在不同的蠕变阶段下的裂纹演化规律、裂纹时效累积形态曲线规律、裂纹比重时效演化规律以及各项能量时效耗散规律;非均质岩样在不同围压效应下的蠕变时效特性规律以及裂纹比重演化规律、平行粘结能以及滑动摩擦能总量随围压和应力强度比的演化规律;中主应力和小主应力下的各项时效形态曲线变化规律以及中主应力b值对应变(ε2)总历时曲线以及稳定蠕变段的平均速率变化规律。
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