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郭松峰等-EG:基于塑性应变累积的岩体渐进破坏强度准则及其应用
2017-12-01 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

  自然界及工程岩体在内外动力作用过程中从最初损伤到最终形成滑坡、岩爆、地震等地质灾害是一个从量变到质变的工程地质动力学过程。岩体的强度准则表达方式为岩体工程地质动力学的关键性基础理论问题。现阶段常用的岩体强度准则多是描述破坏瞬间岩土体的抗压、抗剪或抗拉能力,且未考虑岩体的渐进破坏过程,往往难以描述自然界及实验室岩体真实力学行为,比如锦屏边坡深裂缝的形成与演化、深埋洞室开挖脆性“楔形”岩爆破坏等现象,因而提出能够考虑岩体渐进破坏的强度模型非常有必要。
  在此背景下,中科院地质地球所页岩气与地质工程院重点实验室工程地质力学学科组郭松峰攻读博士期间,在指导老师祁生文研究员的指导下以“深部裂隙岩体围压效应”为题对裂隙岩体的工程地质力学行为进行深入研究,创造性地设计了循环加卸载试验(图1),并基于试验结果提出了基于塑性应变累积的渐进破坏抗剪强度准则。在试验过程中,通过不同塑性应变试样的加载和卸载,可以测试试样累积破坏过程中的强度和变形参数,发现粘聚力和摩擦角均是塑性应变的函数,随着塑性应变的增加,粘聚力逐渐弱化,摩擦角逐渐强化,变形模量逐渐减小(图2)。他们通过巴西劈裂和直拉试验,发现抗拉强度随着塑性变形的出现而快速消失,在提出的抗剪强度的基础上,增加渐进破坏抗拉强度模型,建立了包含岩体拉、剪两种力学行为的基于塑性应变累积的渐进破坏强度准则。

图1 循环加卸载应力路径全应力应变曲线

图2 基于塑性应变累积的渐进破坏强度准则示意图

他们利用这一准则开发的软件模块,对加拿大深部地下工程实验室进行模拟,结果发现不但可以模拟其楔形的破坏形状,而且重现了张拉脆性破坏机理。同时真实再现了小湾高拱坝坝基开挖葱皮破裂、锦屏一级高拱坝边坡左岸深部裂缝、锦屏二级强烈岩爆等高应力地区高储能岩体独特的破坏现象,揭示了其形成机理,预测了其未来演化路径,为工程预案提供了指导。利用Gaussian分布表征岩样中不同矿物成分的变形、强度等力学参数非均匀性,结合提出的强度准则,基于连续介质理论,成功模拟了细观非均匀岩体起裂、裂纹扩展的渐进破裂过程(图3

 

图3(1)-基于连续介质理论的裂纹起裂扩展模拟1

图3(2)-基于连续介质理论的裂纹起裂扩展模拟2

该项成果近期发表在工程地质领域国际权威期刊Engineering Geology (Guo et al.Plastic-strain-dependent strength model to simulate the cracking process of brittle rocks with an existing non-persistent joint, Engineering Geology, 2017, 231: 114-125) 。

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