【摘 要】
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当地下硐室、巷道等处于高应力开挖环境时,外部异源扰动会改变岩石所处的应力场情况,从而引发岩石的大变形、大位移,严重时甚至会发生失稳破坏、岩爆等工程灾害。但是,已有的研究通常不考虑机械破岩振动、远源爆破振动、重型机械振动等频率较低的扰动对高应力条件下岩石力学性能的影响,而实际上,低频振动引起的循环微扰动作用诱发高应力条件下岩石损伤及破坏的机制十分复杂,目前尚未形成统一的认识。因此,研究循环微扰动诱发
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当地下硐室、巷道等处于高应力开挖环境时,外部异源扰动会改变岩石所处的应力场情况,从而引发岩石的大变形、大位移,严重时甚至会发生失稳破坏、岩爆等工程灾害。但是,已有的研究通常不考虑机械破岩振动、远源爆破振动、重型机械振动等频率较低的扰动对高应力条件下岩石力学性能的影响,而实际上,低频振动引起的循环微扰动作用诱发高应力条件下岩石损伤及破坏的机制十分复杂,目前尚未形成统一的认识。因此,研究循环微扰动诱发高应力条件下岩石的损伤与破坏,探明此过程中的机制将有助于解决岩石工程稳定中存在的诸多问题,同时对提升机械、爆破等破岩技术等也有积极意义。为了阐明循环微扰动诱发高应力条件下岩石损伤及破坏的机制,本文首先利用动态扰动岩石电液伺服三轴试验系统,对红砂岩试样开展了不同影响因素(频率、振幅、围压)的循环微扰动诱发高应力条件下岩石损伤及破坏的加载试验。然后,基于试验数据建立了一种新的基于统计损伤理论的岩石本构模型,同时利用尖点突变理论解释了循环微扰动导致岩石最终突变失稳的机制。最后,提出了一种循环扰动诱发岩石损伤的数值实现方法,利用该方法开发出RFPA2D-Cycle软件,对循环微扰动诱发高应力条件下岩石损伤及破坏的加载试验进行了数值重现。论文主要的研究工作可以总结为:(1)开展循环微扰动诱发高应力条件下岩石损伤及破坏的加载试验,分析循环微扰动荷载的频率、振幅以及围压对应力-应变曲线、扰动周期个数、扰动持续时间等的影响,探明高应力条件下循环微扰动加载后岩样的破坏形态。(2)基于定义损伤变量的基本原则,选取三个不同的物理量(残余应变、平均动态轴向刚度以及最大应变),分别采用不同的方法定义损伤变量,定量地表征出循环微扰动诱发高应力条件下岩样的实际损伤劣化过程。(3)从微元损伤在岩样中服从Weibull分布的假定出发,以Hoek-Brown强度准则作为损伤破坏条件,结合试验得到的应力峰值、弹性模量、泊松比等特征参数,建立岩石的本构模型,并运用该本构模型分析常规三轴试验中损伤变量随轴向应变的演化趋势,计算出循环微扰动荷载开始施加时的初始损伤情况。(4)将突变理论中的尖点突变理论引入岩石试件一岩石试验机系统力学模型,推导出循环微扰动诱发高应力条件下岩石破坏的瞬时条件,从数学意义上给予循环微扰动作用诱发高应力下岩石损伤及破坏以合理的解释。(5)秉承RFPA2D软件考虑岩石材料非均质性以及材料损伤劣化发生相变的基本思想,对循环加卸载扰动过程中每一加载步的单元强度进行劣化处理,建立一种用于模拟循环扰动诱发岩石损伤的数值实施方法,编制RFPA2D-Cycle软件并验证其正确性和有效性。
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