非贯通节理砂岩能量损伤演化机制及自我抑制演化模型研究

摘要

实际工程中岩体能量的积聚与耗散可以从本质上揭示其变形失稳的全过程。从能量角度探寻节理形式对工程岩体损伤破坏规律的影响可以从根本上为解决工程岩体稳定性问题提供重要的参考价值。目前关于岩石能量方面的研究主要集中在对完整岩石和类岩石材料峰前能量演化特征上，而对于节理岩体在整个加载过程中的能量演化机制研究较少。故本文在基于岩石能量理论的基础上，利用室内岩石力学试验、数字图像相关法和颗粒流数值模拟技术，对单轴及双轴压缩下非贯通节理砂岩力学特征、宏细观能量损伤演化机制和能量自我抑制演化模型的节理倾角效应和节理长度效应特征进行了较深入的研究。主要研究内容和成果如下：　　①通过对非贯通节理砂岩单轴压缩下力学特征的试验研究发现：随着节理倾角增大，节理砂岩主要力学参数呈不对称“U”型特征，峰前起裂范围先增大后减小，最终依次呈压塌式拉-剪混合破坏、拉-剪混合破坏、剪切破坏和劈裂破坏；随着节理长度增大，节理砂岩主要力学参数和峰前起裂范围逐渐减小，最终以剪切破坏为主；预制节理尖端最大主应变演化特征可揭示节理尖端起裂顺序和岩样最终破坏形态。　　②通过分析单轴压缩试验过程中非贯通节理砂岩能量损伤演化特征发现：节理砂岩能量演化过程可划分为五个阶段；随着节理倾角增大，节理砂岩受能量驱动而发生破坏的难易程度呈难-易-难特征，起裂时突变损伤程度和裂纹扩展范围先增大后减小，峰后裂崩程度先减小后增大；随着节理长度增大，节理砂岩更容易受能量驱动作用而发生破坏，起裂时突变损伤程度和裂纹扩展范围减小，峰前累积损伤增大，峰后破坏剧烈程度减小。　　③基于单轴压缩下节理砂岩细观能量、细观损伤水平及微裂纹数目演化特征可知：节理砂岩细观能量演化过程无初始压密耗能段，在宏观能量演化过程中的峰前线性储能段，从细观能量演化过程角度出发可细分为峰前无损伤储能段和稳定损伤能量微耗段；随着节理倾角增大，节理砂岩到达细观能量特征点的顺序依次为中等倾角节理砂岩（30°、45°和60°）、缓倾角节理砂岩（0°和15°）和陡倾角节理砂岩（75°和90°），中等倾角节理砂岩峰前细观累积损伤水平最大，相应的峰后细观突变损伤水平最小；随着节理长度增大，节理砂岩越易到达能量特征点，起裂后峰前裂纹发育进程越快，峰前细观累积损伤水平越大，相应的峰后破坏过程也越缓慢；细观模拟下节理砂岩的最终破坏形态与室内单轴压缩试验结果一致。　　④由双轴压缩下节理砂岩颗粒流数值模拟结果发现：在相同围压梯度下：随着节理倾角增大，节理砂岩峰值点细观弹性应变能积聚速率先减后增，峰后细观能量突变幅度减小速率先增后减；当节理长度超过一定值后，节理砂岩峰值点细观弹性应变能积聚速率和峰后细观能量突变幅度减小速率均随节理长度增大而逐渐减小；在同一围压水平下：高围压条件会加速节理砂岩峰前细观累积损伤，抑制其峰后细观能量和损伤的突变程度；峰后细观突变损伤水平决定不同节理倾角的节理砂岩最终开裂程度，峰前细观累积损伤水平决定不同节理长度的节理砂岩最终开裂程度。　　⑤试验和数值模拟所得到的节理砂岩峰前宏细观能量积聚过程可用其能量自我抑制演化模型来表征。由不同节理形式下能量模型参数的演化规律可知：考虑自我抑制作用下抑制能量转化作用的机制对峰前能量积聚的最终结果起决定性作用；高围压条件会削弱节理砂岩峰前细观能量积聚过程的自我抑制作用；节理砂岩峰前宏细观能量自我抑制作用随节理倾角增大而先增强后减弱，随着节理长度增大而逐渐增强。

目录

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 数字图像相关方法在岩石力学中的研究现状

1.2.2节理岩体能量演化的试验和数值模拟研究现状

1.2.3 节理岩体能量演化机制的理论研究现状

1.2.4 目前研究存在的主要不足

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究的技术路线

2 非贯通节理砂岩力学特征试验研究

2.1 引言

2.2 试验设计及方案

2.2.1 岩石试样特征及制备

2.2.2 试验方案及设备

2.3.1 节理砂岩强度特征的节理倾角效应

2.3.2 节理砂岩变形特征的节理倾角效应

2.4.1 节理砂岩强度特征的节理长度效应

2.4.2 节理砂岩变形特征的节理长度效应

2.5 本章小结

3 非贯通节理砂岩能量损伤演化机制试验研究

3.1 引言

3.2 节理砂岩能量转化分析及计算理论

3.3.1 不同节理倾角的节理砂岩能量演化机制

3.3.2 不同节理倾角的节理砂岩峰值点能量特征

3.3.3 节理砂岩能量突变幅度的节理倾角效应

3.4.1 不同节理长度的节理砂岩能量演化机制

3.4.2 不同节理长度的节理砂岩峰值点能量特征

3.4.3 节理砂岩能量突变幅度的节理长度效应

3.5 本章小结

4 非贯通节理砂岩细观能量损伤演化机制研究

4.1 引言

4.2.1 颗粒接触模型的选取及假设

4.2.2 数值模型的生成

4.2.3 加载方式

4.2.4 数值模型细观参数标定

4.3 节理砂岩细观能量理论

4.4.1节理砂岩细观能量转化过程

4.4.2节理砂岩细观能量阶段性演化特征

4.4.3 节理砂岩细观能量与损伤的节理倾角效应

4.4.4 节理砂岩细观能量与损伤的节理长度效应

4.5.1 不同围压下节理砂岩细观力学响应

4.5.2 节理砂岩峰前细观能量演化的围压效应

4.5.3不同围压下节理砂岩细观能量突变及损伤的节理倾角效应

4.5.4 不同围压下节理砂岩细观能量突变及损伤的节理长度效应

4.6 本章小结

5 非贯通节理砂岩峰前能量自我抑制演化模型研究

5.1 引言

5.2.1 节理砂岩能量转化机制的数学模型

5.2.2 节理砂岩能量自我抑制演化模型

5.2.1 模型的室内试验结果验证与分析

5.2.2 模型的数值模拟结果验证与分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文

B 学位论文数据集

致谢