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地质地球所揭示塑性应变累积岩体渐进破坏强度准则

地质地球所揭示塑性应变累积岩体渐进破坏强度准则

  岩体强度准则表达方式是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、抗剪或抗拉幸运飞艇能力,未考虑岩体的渐进破坏过程;难以描述自然界及实验室岩体真实力学行为,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。提出能够考虑岩体渐进破坏的强度模型对该领域研究具有重要意义。

  近期,中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程实验室工程地质力学学科组博士研究生郭松峰,在导师祁生文的指导下,以“深部裂隙岩体围压效应”为方向,对裂隙岩体的工程地质力学行为进行深入了研究。该研究设计了循环加卸载试验,并基于试验结果提出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,研究者通过不同塑性应变试样的加载和卸载,测试出了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;并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。因此,该研究在抗剪强度准则的基础上,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。

  利用基于以上准则开发的软件模块,研究者对加拿大深部地下工程实验室进行了模拟。在模拟过程中,研究者发现其不但可以模拟楔形的破坏形状,而且能够重现张拉脆性破坏机理以及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的独特破坏现象。该项成果可为许多岩体破坏现象形成机理的揭示及其未来演化路径的预测、相关工程预案的制定提供参考。该研究还利用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。

  相关研究成果发表在工程地质领域期刊Engineering Geology 上。

  论文链接 

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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

  图3.基于连续介质理论的裂纹起裂扩展模拟(1)

图4.基于连续介质理论的裂纹起裂扩展模拟(2)