基于裂纹应变的岩石变形破坏机理研究

作     者：郑钰 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施浩然;刘晓辉;周济芳

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：白皎煤岩 锦屏大理岩 裂纹应变 渐进破坏 破坏前兆 损伤本构 

摘      要：受地质构造、工程扰动等因素影响,岩体内部无序分布的原生裂纹及新裂纹进一步起裂、扩展、贯通,微裂纹演化是导致工程岩体渐进变形破坏的重要原因。随着岩土工程趋向深部发展,深部岩体力学问题成为亟待解决的关键科学问题。在深部地下工程岩体开挖过程中,不仅面临着岩性的多样性,工程赋存环境也更加复杂,使工程的安全稳定受到严峻挑战。开展不同围压下岩石渐进破坏的裂纹演化规律分析及失稳前兆预判,对于揭示岩石变形破坏机理与预警预防深部工程重大灾害的发生具有重要意义。本文选取芙蓉白皎煤矿煤岩、锦屏二级水电站大理岩为研究对象,依托MTS岩石力学试验系统展开不同围压下的压缩试验,从宏观和细观角度分析不同围压下岩石的变形破坏特征;基于裂纹应变进一步揭示岩石渐进破坏过程中的裂纹演化规律,并据此建立两种岩石的破坏前兆判别方法以及非线性损伤本构关系,以期为深部地下工程安全、高效建设提供一定的科学指导。主要研究内容及结论:(1)获取不同围压下岩石的应力-应变曲线、强度变形参数、破坏形态及声发射活动特征,从宏观和细观两个方面分析围压对岩石变形力学特性的影响。利用煤岩和大理岩试样密度、纵波波速开展离散性分析,以提升后续试验的可靠性。依托MTS815试验系统、PCI-2声发射系统,对煤岩和大理岩展开不同围压下的压缩试验。从宏观角度看,应力-应变曲线具有不同的阶段性特征;随围压升高,强度变形参数增大,且岩石强度特征均可运用MC强度准则合理预测。由于煤岩原生缺陷多、承载能力弱,故围压升高使其刚度增强并限制了横向变形;相同围压下大理岩较煤岩塑性特征更明显,抗压强度、弹性模量更高,而泊松比稍低。随围压升高,岩石由张拉破坏过渡为剪切破坏,但相同围压下煤岩的脆性较大理岩更强。从微观角度来看,围压越高,声发射活跃期出现得越晚,振铃计数增长越慢,岩石破坏时的空间定位点数越少。相同围压下,煤岩破坏时的累计振铃计数与空间定位点均多于大理岩,煤岩破坏更加剧烈。(2)揭示岩石变形破坏过程中的裂纹演化规律,基于裂纹应变界定岩石的渐进破坏过程。定义岩样真实应变与弹性应变的差值为裂纹应变。随轴向应变增加,岩石的轴向裂纹应变非线性增加,环向与体积裂纹应变先增大再维持不变而后逐渐减小。随围压升高,峰前裂纹应变量增大,裂纹扩展引起的变形量增多,岩石的塑性特征随之增强;相同围压下大理岩的峰前裂纹应变总量较煤岩更高,说明大理岩塑性变形能力更强。基于两种岩石的裂纹应变演化规律所具有的明显规律性,将岩石渐进破坏过程划分为五个阶段。(3)确定出岩石的特征应力及特征裂纹体应变,基于特征应力建立岩石的脆性评价指标,为维持岩体的长期稳定性提供保障。不同的岩石渐进破坏阶段对应着不同应力水平,随围压升高,特征应力值增大,而特征应力水平下降,特征裂纹体应变多呈先减小后增大的趋势;相同围压下,大理岩的初始损伤相对煤岩较小,特征应力水平较低,峰前裂纹扩展更充分,峰后就不容易发生突然的脆性破坏。综合考虑岩石峰前、峰后力学特性,基于损伤应力、峰值应力以及残余应力建立脆性指标B,其值越大岩石脆性越强。随围压升高,岩石脆性特征逐渐减弱;相同围压下,煤岩的脆性程度整体上高于大理岩,这与试验结果相符。(4)将裂纹应变速率的急剧增长点定义为岩石破坏前兆点,与常见的声发射破坏前兆对比发现裂纹应变率前兆更具优越性与普适性。两种岩石裂纹应变率前兆的应力水平和预警时间在70～100%和0.05～3.5ks,振铃计数前兆的应力水平和预警时间在95～100%和0.03～0.07ks。裂纹应变率前兆较振铃计数前兆出现得早在预警时间上具有优先性,且岩石破坏过程中获得的应变数据全面准确,基于裂纹应变率的岩石破坏前兆判据更普适。随围压升高,岩石破坏前兆出现越早,相同围压下大理岩破坏前兆较煤岩出现更早。值得注意的是,外部荷载接近岩石破坏前兆应力水平时,采取围岩支护加固措施将有利于岩土工程安全高效开挖。(5)基于体积裂纹应变定义损伤变量,建立单轴和三轴岩石的损伤本构关系。基于体积裂纹应变定义损伤变量,随应力水平升高,岩石的损伤演化曲线呈先下降后上升的趋势。随围压升高,岩石的峰前损伤程度升高;相同围压下,大理岩峰前损伤水平高于煤岩,同样说明峰后大理岩不易出现突然破坏。基于损伤演化规律,结合应变等效假设,考虑岩石的压密特性,分别建立岩石的单、三轴损伤本构关系。利用试验数据,验证所建模型合理性,发现该模型能够基于裂纹应变较好地反映不同围压下岩石的变形破坏特性。