岩体破坏失稳中的材料-结构二义性研究初探

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论文字数:39569 论文编号:sb2021100207014638519 日期:2021-10-26 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文基于数值模拟手段对岩体破坏失稳中的材料结构二义性进行了研究初探。通过分析在岩石材料性质、结构面填充物性质、结构面分布(角度)和结构体高宽比四种因素协同作用下岩体破坏失稳的规律,初步识别了岩体破坏失稳过程中材料性和结构性的影响,并揭示了两者之间的主导与协同机制。

1   绪论

1.1  选题背景及研究意义
岩石是构成地壳表层岩石圈的主体,人类主要在岩石圈上生息繁衍[1]。21 世纪是一个人口危机、环境危机、能源危机、生态危机和全球气候变暖危机等交织在一起的世纪[2],随着人类对于矿产,能源,交通等的需求越来越多,人们所涉及的岩体工程也越来越多,如愈千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下储存、深部地下防护工程等。在向地下寻求生存空间的过程中,人类将前所未有地、广泛地接触和改造岩石或岩体[3]。
岩石是天然地质作用的产物,矿物集合、胶结物质和各类原生缺陷共同构成了岩石材料的物质基础。在成岩和地质运动的自然作用下,各类非连续面(结构面,如断层、节理、层理和裂隙等)将岩石割裂为地质体。赋存于一定环境中的地质体,当作为岩体工程问题进行研究时称为岩体[4, 5]。岩体的变形、破坏及失稳研究是认识岩体工程稳定性的基础,涉及水利工程、能源开发、资源开采和核废料储存等众多领域,揭示各种工程条件下岩体的破坏失稳机制一直是岩石力学和岩体力学领域的核心和热点课题[6-8]。本文即从岩体物质材料层面和岩体结构层面的致灾机制,初探岩体破坏失稳过程中所具有的“材料结构二义性”。首先将相关概念明确如下:
相关概念
相关概念
岩体因其成因及赋存环境的复杂性,使得岩体在力作用下的变形与强度特征要比完整岩石复杂的多[9]。一方面,岩体属于缺陷型固体非均质材料,在破坏本质上,从矿物晶体变形到出现宏观物质分离与其材料性密切相关;另一方面,岩体结构性深刻影响其变形破坏过程,结构体和结构面有着自己独特的力学特征,控制着破坏又伴随破坏始终。因此,岩体的本质既有材料性一面,又有结构性一面。
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1.2  国内外研究现状
1.2.1  岩体破坏失稳的材料性影响研究现状
岩体从变形到破坏再到失稳的过程中,材料的劣化与分离是最直观的结果。谢强等[16],朱珍德和郭海庆[17],Jia 等[18]和 Nasseri 等[19]借助先进实验仪器(包括光学显微镜、SEM、CT 技术、X-ray 等)直接观测岩石材料的微观组构与微缺陷形态,观察微细裂纹的萌生、扩展和相互作用,捕捉介质从初始缺陷到宏观破坏的本质过程。研究表明:岩石材料组构对其变形特征和断口形貌有着很大影响。岩石材料强度主要取决于构成岩石的矿物颗粒黏结方式和微裂隙分布,且不同种类的岩石差异巨大。粒状结构岩石中,等粒结构比非等粒结构的强度高;在等粒结构岩石中,细粒结构比粗粒结构强度高。结构面强度则受充填物性质影响较大。
对于地下洞室或隧道等岩体工程,围岩可能出现渐进的破坏过程,也可能发生剧烈的破坏现象(岩爆),这与岩体材料性和工程条件密切相关。为了探究这类工程岩体的破坏机理,研究者们在实验室中做了大量探索性的工作。学者们[12-14, 20-25]或利用缩尺模型实验,或采用相似模拟试验,观测工程岩体局部破坏失稳的特征;或针对不同岩性、不同形状、不同尺寸和不同结构面特征的岩体试样,通过室内单轴、双轴和三轴加/卸载实验,观测试件整体破坏失稳的全过程。结果表明:岩体材料强度特征显著影响其破坏模式、破坏范围和破坏剧烈程度。岩体结构面不发育或充填物强度较大时,破坏会更趋于渐进性,声发射(AE)事件伴随破坏过程,时序和空间位置上具有散布集中的特点,若岩石材料脆性指数较高,破坏会释放更多的弹性能,从而具有应变型岩爆倾向性,并伴有剥落、剪断、扩容和破碎等现象;岩体结构面发育或充填物强度较弱时,破坏会趋于结构型岩爆,声发射事件在局部结构失稳时骤增,时序和空间位置上具有突发集中的特点,并伴有张裂和滑动等现象。图 1.3(a)示意了岩石材料性质和结构面物性对岩体强度特征的影响。Diederichs 等[24]论述了应力条件对岩石材料破坏机理和破坏模式的具体影响。图 1.3(b)结合隧道围岩的应力状态示意了岩体局部损伤区域和破坏模式。
图 1.3   (a)  岩石材料性质和结构面物性对岩体强度特征的影响[4];(b)  应力状态对隧道围岩局部破坏模式的影响示意图[24]
图 1.3   (a)  岩石材料性质和结构面物性对岩体强度特征的影响[4];(b)  应力状态对隧道围岩局部破坏模式的影响示意图
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2   岩体破坏与失稳分析的统一数值方案

2.1  细观统计损伤本构模型
2.1.1  基本思想
基于有限元理论和统计损伤理论,考虑材料性质的非均质性和缺陷分布的随机性等特点,将材料的统计分布假设与数值方法(有限元法)相结合,对满足给定强度准则的单元进行损伤处理,从而实现对非均质材料破坏过程表征。基于该思想,真实失效过程分析(Realistic Failure Process Analysis,RFPA)方法的细观统计损伤本构模型成功用于岩石材料的损伤破坏问题的研究。
2.1.2  力学参数的概率分布
由于岩石是在自然界地质变化、长期沉积作用下形成的,使得岩石内部含有大量的矿物晶体、胶结物、裂隙等缺陷结构,因此在细观上是一种不连续体。取出一个小区域,通过均匀化细观结构的力学效应,可以将岩石表示为宏观连续。最小的均质区域称为代表体积元(RVE)。而且,这些区域由于受原始夹杂和微裂隙的影响,又具有非均质的性质[39]。岩石的非均质性是决定岩石材料变形行为和渐进破坏过程的重要因素[40],因此在本研究中我们为了表征岩石的非均匀性,假定细观尺度上 RVE 单元的材料力学属性遵循韦伯分布[41](如图 2.1 所示)。韦伯分布是一种统计方法,已广泛应用于研究非均质性对准脆性材料力学行为的影响[42, 43]。
2.1.3  代表性体积元(RVE)的本构关系及损伤演化
当载荷增加到一定程度时,岩石会发生破坏,而在破坏前通常没有任何能量消散,表现出准脆性材料的特征,在细观尺度上表现为微裂纹的萌生和扩展,并伴随着岩石材料刚度的劣化和强度的损失。
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2.2  RFIA 系统工作流程
将岩体材料破坏与结构体失稳在一个数值框架内同时同步地考虑,并程序化成为软件系统,其工作程序主要由以下三个部分工作完成:(1)实体模型的建立以及网格单元的剖分。使用者可以根据所要建造模型来选择基元类型,定义相应材质的力学特征,然后进行实体建模并对其进行网格划分。(2)应力、应变分析。使用者根据建立模型的需要输入相应的边界条件、加载控制参数以及基元性质的数据。系统会根据这些信息,形成相应的刚度矩阵,求解并输出有限元分析计算的结果(应力、节点位移)。(3)基元相变的分析。运用相变准则对应力计算器产生的结果进行相变判断,然后对相变基元进行弱化处理,最后形成迭代计算刚度矩阵所需的数据文件。整个系统的工作流程见图 2.4。 
图 2.4   RFIA 计算流程图
图 2.4   RFIA 计算流程图
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3   岩体破坏失稳的材料性影响 ........................................... 18
3.1   岩石材料性质对岩体破坏失稳规律的影响 ................................... 18
3.1.1  岩石材料性质改变与结构面填充物性质变化对岩体破坏失稳规律的影响 .............................................. 18
3.1.2  岩石材料性质改变与结构面分布(角度)变化对岩体破坏失稳规律的影响 ............................. 21
4   岩体破坏失稳的结构性影响 ........................................... 47
4.1   结构面特征对岩体破坏失稳规律的影响 .............................. 47
4.1.1  结构面分布(角度)改变与岩石材料性质变化对岩体破坏失稳规律的影响 ............................. 47
4.1.2  结构面分布(角度)改变与结构面填充物性质变化对岩体破坏失稳规律的影响 ...................... 48
结论 ................................ 66

4   岩体破坏失稳的结构性影响


4.1  结构面特征对岩体破坏失稳规律的影响
4.1.1  结构面分布(角度)改变与岩石材料性质变化对岩体破坏失稳规律的影响
在本节中选取了三种结构面倾角(α=15°、30°和 45°),分别对应不同岩石材料性质的岩体模型试样来进行数值模拟计算(数值试样对应主要参数选取见表 4.1)。采用数值方法为 RFA 方法,所选取试样的几何尺寸为 50×100mm,网格密度为 50×100,单元大小为 1×1mm,所选取的数值试样加载及边界条件如图 3.1 所示。
表 4.1   数值试样主要参数
表 4.1   数值试样主要参数

图 4.1 展示了结构面倾角为 15°、30°和 45°时不同岩石材料细观单轴抗压强度下的岩体破坏强度曲线,从图中可以看出当岩石材料细观单轴抗压强度较低(100-300MPa)时,岩石材料细观单轴抗压强度低于结构面材料细观单轴抗压强度,三条曲线几乎重合,说明此时结构面倾角的改变对岩体破坏强度的影响较小,其典型破坏模式如图 4.2a,c,e 所示。随着岩石材料细观强度的增大,结构面倾角为 45,30,15 度的曲线依次出现“转折”,并随岩石材料细观强度的增大表现为一条近似水平的“直线”,且在曲线出现转折后,结构面倾角越小的岩体破坏强度越高[61, 62]。综合上述分析可以看出,当岩石材料细观强度低于结构面材料细观强度时,结构面倾角改变对岩体破坏强度几乎没有影响。当岩石材料细观强度高于结构面材料细观强度时,随结构面倾角的减小,岩体破坏强度有增大的趋势。
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结论


本文基于数值模拟手段对岩体破坏失稳中的材料结构二义性进行了研究初探。通过分析在岩石材料性质、结构面填充物性质、结构面分布(角度)和结构体高宽比四种因素协同作用下岩体破坏失稳的规律,初步识别了岩体破坏失稳过程中材料性和结构性的影响,并揭示了两者之间的主导与协同机制。所得主要结论如下:
(1)在岩石材料强度高于结构面强度的情况下(低高宽比),岩体破坏强度由结构面强度所主导,其破坏强度随结构面倾角的增大而减小。在岩石材料强度低于结构面强度的情况下,岩体破坏强度由岩石材料强度所主导,其破坏强度随结构面倾角的变化几乎没有改变。
(2)在岩石材料强度与高宽比的不同组合下,岩体会出现以下三种破坏模式:①岩体破坏由材料性所主导,破坏形式为岩石材料的局部破坏引起岩样最终的破坏失稳。②岩体在材料性与结构性协同影响下的破坏。③岩体破坏由结构性所主导,岩体破坏是由岩体结构失稳所导致的最终破坏。岩石材料强度越高,岩体发生结构失稳时所需高宽比的阈值越低。
(3)在结构面强度与高宽比的不同组合下,岩体同样会出现三种破坏模式:①岩体破坏由材料性所主导,破坏形式为结构面的破坏引起岩样最终的破坏失稳。②岩体在破坏过程中,结构面的破坏与弯曲所引起的岩体侧面的拉伸破坏同时存在,岩体是在材料性与结构性协同影响下的破坏。③岩体破坏由结构性所主导,岩体破坏是由岩体结构失稳所导致的最终破坏。岩体结构面强度越高,岩体发生结构失稳时所需高宽比的阈值越低。
(4)在结构面倾角与高宽比的不同组合下,结构面倾角越小,岩体发生结构失稳的高宽比阈值越低,岩体发生结构失稳的风险越高。
(5)对于具有几何优势的岩体(高高宽比),其破坏失稳主要受结构失稳所影响,岩石材料性质、结构面填充物性质及结构面倾角对其影响较小。
参考文献(略)