不同加卸荷应力路径下大理岩破坏过程的能量演化机制与本构模型研究

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地下工程开挖是一个极其复杂的加卸荷受力过程,而岩体在加卸荷不同应力路径条件下的变形特征、强度特性及破坏机制存在明显差异。对不同应力路径下岩石变形破坏性质的研究,对补充完善岩石力学理论和指导工程设计、施工有着重要的理论和工程意义。本文开展了不同应力路径条件下的大理岩加卸荷破坏试验研究,从能量变化角度分析了不同应力路径下大理岩的破坏机制,给出了大理岩变性破坏过程的能量非线性演化模型。论文主要取得了下列研究成果:(1)通过完整大理岩岩样加卸荷试验,揭示了加卸荷条件下岩石变形、破坏特征与强度参数变化规律。岩样加荷破坏弹性阶段轴向变形起主导作用,屈服开始后环向变形快速增加;加荷破坏大理岩起裂应力随围压升高向峰值强度逐渐靠近,围压延迟了岩石的破坏;卸荷破坏岩样的峰值强度随着卸荷速率的增加逐渐减小,随着卸荷初始围压的升高逐渐增大,环向变形和体积变形对慢速卸荷比快速卸荷更敏感。(2)根据广义塑性力学理论,利用试验数据构建了大理岩加卸荷变形过程的屈服面,保证了屈服函数的唯一性和准确性。大理岩加荷破坏过程的剪切屈服面为直线形式,卸荷破坏剪切屈服面分为卸荷前的直线形式和卸围压过程的二次抛物线形式,加荷破坏体积屈服面分为压缩和剪胀两段直线形式,卸荷破坏体积屈服面分为卸荷前的直线形式和卸荷后的二次抛物线形式。(3)根据大理岩变形破坏过程的能量演化曲线,可以将大理岩卸荷破坏分为四个阶段:压密阶段、弹性阶段、裂纹扩展阶段和峰后破坏阶段。到达屈服点前,岩样吸收的能量大部分以弹性能形式存储于岩样内部;屈服点后到峰前的非线性变形阶段,弹性能增速缓慢,而耗散能的增速变大;到达峰值强度时,岩样内部存储的弹性能达到储能极限,弹性能瞬间释放,耗散能快速升高。常规三轴的储能极限高于单轴压缩,而峰前卸围压的储能极限低于常规三轴压缩;随着卸荷速率增快,大理岩吸收总能量变化率、弹性能变化率和耗散能变化率都呈减小趋势;卸荷速率越快,卸荷破坏需要的能量增量越小,在较小的能量增加下就会发生破坏;岩石破坏的驱动能量(存储的可释放弹性能)主要是在卸荷之前的加荷过程积聚的,加荷过程存储的能量对岩石卸荷破坏起到决定作用。(4)根据大理岩变形破坏过程的能量演化特征,结合生态学的竞争机制,构建了大理岩破坏过程的能量积聚演化模型。根据能量模型中的能量迭代增长因子与轴向应变的变化关系,提出了不同应力路径下岩石破坏的起裂预警应变值,单轴压缩为峰值应变的77%左右,常规三轴为峰值应变的72%~76%之间,卸荷试验为峰值应变的72%~81%之间。
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