基于能量耗散与释放原理的裂隙砂岩损伤破坏机制研究

作     者：程斌 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢远光

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：裂隙砂岩 破坏形态 耗散能 弹性能 损伤演化 

摘      要：为了研究裂隙砂岩在外荷载作用下的损伤破坏机制,本文在裂隙砂岩单轴、常规三轴压缩及循环加卸载试验基础上,结合RFPA数值试验,基于能量耗散与释放原理,结合岩石损伤理论,对裂隙砂岩在试验过程中的变形破坏特征、能量分配及演化、损伤演化规律及损伤本构方程进行了研究:讨论了含不同倾角裂隙的砂岩试样在外荷载作用下的能量演化规律及相应的破坏形式;研究了裂隙砂岩在试验过程中损伤发展、破坏形式与能量演化之间的内在联系;结合损伤力学,推导出裂隙砂岩损伤演化方程,分析了裂隙砂岩的损伤演化规律;基于最小耗散能原理,推导裂隙砂岩损伤本构方程,探究最小耗散能原理在裂隙砂岩损伤破坏过程中的应用;采用FLAC3D软件对裂隙砂岩边坡进行稳定性分析,使用fish语言编写程序监测边坡变形过程中的能量变化,用耗散能的变化描述边坡的损伤情况,探究损伤演化规律在工程的初期安全性分析当中的应用。本文主要结论如下:(1)角度范围为0°到60°时,裂隙砂岩的峰值强度随裂隙倾角增大而减小。在损伤破坏过程中裂缝扩展从预制裂隙的尖端开始,裂隙倾角为30°的砂岩试样为压剪混合破坏模式,裂隙倾角为45°和60°的砂岩试样为剪切破坏模式。在单轴压缩条件下,裂隙倾角为45°和60°的砂岩试样呈现出显著的脆性破坏,且残余强度很小。(2)裂隙压密阶段,耗散能增幅大于弹性能增幅,各能量参数增加缓慢,岩石损伤轻微;损伤稳定发展阶段,弹性能的积聚大于耗散能,耗散能为线性增加;损伤突变阶段,耗散能增加幅度突然加大,损伤发展速度突变;损伤加速发展阶段,耗散能增幅不断加大,耗散能曲线呈“上凹状,损伤发展速度不断加大;裂隙砂岩破坏阶段,弹性能释放造成岩石破坏,弹性能释放的越多破坏程度越剧烈。(3)从裂隙砂岩损伤演化规律来看,在单轴压缩条件下,随着裂隙倾角的增大,裂隙砂岩损伤演化曲线的缓慢增长阶段在减小,损伤变量增长速率加快,岩石的破坏程度在减弱。随着围压的增大,损伤变量的增加幅度在减小,损伤演化速率在减慢,说明围压对裂隙砂岩的力学特性有一定的增强作用。裂隙砂岩的损伤破坏过程符合最小耗散能原理描述的客观规律。(4)边坡内含有裂隙,会引起边坡的应力重分布。在强度系数折减过程中,弹性能先增加后减小,耗散能不断增加,边坡的损伤也在不断的增加,当计算达到平衡时,弹性能与耗散能均恒定不变。在边坡内部,越靠近破坏中心的单元的耗散能越大,且当边坡失稳破坏时耗散能随着时步呈指数型增长。