危岩损伤—断裂联合机理研究

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危岩(Unstable rock)是三峡库区重要的地质灾害之一,迄今研究程度较低,其防治仅停留在概念设计层次。在危岩系统的研究体系中,发育机理是关键。本文在教育部访问学者基金“危岩发育机理研究”的资助下,对三峡库区的危岩损伤-断裂机理进行了初步研究,主要结论包括:1)危岩主控结构面裂端损伤区是控制危岩稳定性的关键区域,危岩裂端应力状态可分为单拉、拉剪及压剪等三种情况。对于第一类坠落式危岩,主控裂端受力机理主要为单拉机理,对于第二类坠落式危岩和倾倒式危岩主要为拉剪机理,而对于滑塌式危岩主要是压剪机理;不完全统计表明,危岩失稳机理主要是单拉及拉剪机理。2)危岩裂端损伤区中损伤的表现形式主要有微孔洞、微裂纹、微剪切带、沉积微不整合面、颗粒晶界和软弱杂质带等,裂端岩体损伤发育的过程本质上是缺陷不断萌生、连通、汇合及扩展的过程。3)本文在前人的基础上建立了危岩体损伤本构方程及损伤演化方程。对太白岩危岩体的损伤分析表明,太白岩危岩体的初始损伤度Dα=0.028,主控裂端损伤区内岩体损伤发育到当前状况下的当前损伤度Dn=0.05,太白岩危岩体主控裂端损伤阈值即导致裂纹扩展的损伤度Dc=0.457。4)推导了各类危岩体裂端应力强度因子的表达式,给出了求解主控裂端损伤区大小及损伤参数的方法,从而在数值模拟中可以损伤参数体现损伤效应对应力强度因子的影响,并用ADINA软件求解损伤-断裂联合应力强度因子;构建了损伤-断裂判别模型,研究得到太白岩危岩体损伤-断裂临界阈值—平面应变断裂韧度KIC=1.796Mpam1/2。5)选取太白岩南坡W25危岩体进行全过程的、各荷载组合的损伤-断裂联合分析,分析结果同当前规范法及实际情况吻合较好。6)用危岩体蠕变损伤理论对微观链式机理发育阶段及稳定时间进行研究,结果表明太白岩危岩体在无灾害性诱因影响下的单循环链式机理发育周期长达820年;从宏观主控结构面连通率的分析表明,对于连通率大于50%的危岩体便处于链式机理发育的中后期,在工程防治中应引起足够重视。7)运用断裂力学及尖点突变模型对链式机理的失稳阶段进行了初步研究,建立了微观链式机理失稳坠落阶段的突变模型。危岩损伤-断裂联合机理及链式机理研究是一个全新的领域,分析模型及方法的简化是本方法能否得以发展的关键,也需要在实际工程中积累经验及数据集,以方便工程应用。
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