静载条件下层状复合岩石力学特性及本构模型研究

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随着国民经济和科学技术的飞速发展,地表浅部资源不断消耗殆尽,地下空间的开发利用变得非常迫切。深部地下空间岩体复杂多变的性能以及恶劣的地下工程环境给科研工作以及实际工程生产带来了各种各样的挑战。层状复合岩石是深部地下工程中一种比较常见且具有明显的层状结构的岩体。经过漫长的地质构造和地层运动,形成了褶皱、断裂、层理、节理等复杂界面层的层状岩体,其各层结构面存在方位、角度、密度等影响因素。不同岩性的岩石与岩石之间和相同岩性的岩石与岩石之间往往由于复杂界面层的存在,从而引发结构面或结构面周围的岩石产生整体或局部破坏,最终导致整个岩体的性能受到影响,因此对界面力学问题的研究已经成为深部岩体研究当中的重要一环。本文选用深部岩石作为原材料,加工制作成不同界面层倾角的层状复合岩石,进行静态力学试验,进一步研究其力学性能以及本构关系。研究工作的主要内容和成果包括:(1)选取红砂岩、青砂岩为初始材料,通过云石胶对切割好的岩样进行粘结成型,制成了界面层倾角为0°、15°、30°、45°和60°的五种层状复合岩石。(2)将制作好的层状复合岩石进行单轴压缩试验和三轴单轴试验,得出一维应力和三维应力作用下层状复合岩石的各种关系试验图,并对层状复合岩石的破坏模式进行研究。(3)分析了由于界面层的存在对岩石抗压强度的影响,结果表明:界面层倾角0°和15°的层状复合岩石的单轴抗压强度值比较接近;界面层倾角30°的层状复合岩石的单轴抗压强度比界面层倾角0°和15°的层状复合岩石的单轴抗压强度小但相差不大,而界面层倾角45°和60°的层状复合岩石的单轴抗压强度则远小于15°和0°的岩样。由试验结果可知,界面层倾角为45°和60°的层状复合岩石破坏时,承载力并未达到基岩部分的破坏强度,而是由界面层滑移破坏。(4)利用微元Drucker-Prager屈服准则和微元Weibull概率分布模型相结合,建立了存在一定倾角的层状复合岩石损伤本构模型,并引入修正系数对模型进行改进。通过模型拟合曲线和试验曲线进行对比,结果显示模型曲线和试验曲线比较一致,从而验证该模型的正确性与合理性。
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