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地質地球所揭示塑性應變累積岩體漸進破壞強度準則

7月
04
2018

2018年7月04日20時 今日科學 茶無弄

茶無弄

岩體強度準則表達方式是岩體工程地質動力學的關鍵性基礎理論問題。現階段常用的岩體強度準則,多是描述破壞瞬間岩土體的抗壓、抗剪或抗拉能力,未考慮岩體的漸進破壞過程;難以描述自然界及實驗室岩體真實力學行為,如錦屏邊坡深裂縫的形成與演化、深埋洞室開挖脆性「楔形」岩爆破壞等現象。提出能夠考慮岩體漸進破壞的強度模型對該領域研究具有重要意義。

近期,中國科學院地質與地球物理研究所頁岩氣與地質工程實驗室工程地質力學學科組博士研究生郭松峰,在導師祁生文的指導下,以「深部裂隙岩體圍壓效應」為方向,對裂隙岩體的工程地質力學行為進行深入了研究。該研究設計了循環加卸載試驗,並基於試驗結果提出基於塑性應變累積的漸進破壞抗剪強度準則。在試驗過程中,研究者通過不同塑性應變試樣的加載和卸載,測試出了試樣累積破壞過程中的強度和變形參數,發現粘聚力和摩擦角均是塑性應變的函數:隨著塑性應變的增加,粘聚力逐漸弱化,摩擦角逐漸強化,變形模量逐漸減小;並通過巴西劈裂和直拉試驗,發現抗拉強度隨著塑性變形的出現而快速消失。因此,該研究在抗剪強度準則的基礎上,增加漸進破壞抗拉強度模型,建立了包含岩體拉、剪兩種力學行為的基於塑性應變累積的漸進破壞強度準則。

利用基於以上準則開發的軟體模塊,研究者對加拿大深部地下工程實驗室進行了模擬。在模擬過程中,研究者發現其不但可以模擬楔形的破壞形狀,而且能夠重現張拉脆性破壞機理以及小灣高拱壩壩基開挖蔥皮破裂、錦屏一級高拱壩邊坡左岸深部裂縫、錦屏二級強烈岩爆等高應力地區高儲能岩體的獨特破壞現象。該項成果可為許多岩體破壞現象形成機理的揭示及其未來演化路徑的預測、相關工程預案的制定提供參考。該研究還利用Gaussian分布表征岩樣中不同礦物成分的變形、強度等力學參數非均勻性,結合提出的強度準則,基於連續介質理論,成功模擬了細觀非均勻岩體起裂、裂紋擴展的漸進破裂過程。

相關研究成果發表在工程地質領域期刊Engineering Geology 上。

圖1.循環加卸載應力路徑全應力應變曲線

圖2.基於塑性應變累積的漸進破壞強度準則示意圖

圖3.基於連續介質理論的裂紋起裂擴展模擬(1)

圖4.基於連續介質理論的裂紋起裂擴展模擬(2)


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