巖石類材料損傷局部化失穩(wěn)及錨固的力學(xué)機(jī)制研究VIP

巖石類材料損傷局部化失穩(wěn)及錨固的力學(xué)機(jī)制研究巖石類材料內(nèi)部微觀裂隙在載荷作用下的擴(kuò)展貫通，導(dǎo)致材料內(nèi)部形成劇烈變形的局部化帶，材料力學(xué)性能與整體承載能力下降，局部化帶內(nèi)的劇烈變形進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致材料的最終破壞。為了防止裂隙巖體的變形破壞，需采用各種錨桿(索)進(jìn)行加固。由于材料的損傷局部化失穩(wěn)與錨固機(jī)理極其復(fù)雜，目前仍有許多問(wèn)題尚未徹底解決。本文緊密圍繞材料的損傷局部化失穩(wěn)與錨固機(jī)理研究中存在的主要問(wèn)題，在巖石類材料損傷局部化分叉分析、應(yīng)變軟化模型與局部化帶的特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系、裂隙巖體的錨固止裂機(jī)理、不同形式的權(quán)函數(shù)對(duì)裂紋應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響、非線性非局部應(yīng)變梯度模型的探討等方面進(jìn)行了比較深入而系統(tǒng)的分析研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：1．巖石類材料在彈塑性變形過(guò)程中由于大量微觀缺陷的出現(xiàn)而伴有顯著的體積擴(kuò)容與剛度的不同程度下降等非線性特征，在材料的分叉與失穩(wěn)分析中，必須同時(shí)考慮彈塑性和損傷兩種非線性變形特征。本文在巖石類材料的各向同性損傷假定下，在彈塑性模型的不連續(xù)局部化分叉方法中引入了損傷變量與損傷加卸載函數(shù)，考慮巖石損傷過(guò)程中的剛度退化和體積擴(kuò)容所引起的泊松比增大等變化特征，通過(guò)理論推導(dǎo)得出了巖石類材料損傷失穩(wěn)時(shí)的最大硬化模量和此時(shí)的局部化方向角，探討了最大硬化模量與局部化方向角對(duì)巖石類材料的損傷程度和初始泊松比的依存關(guān)系，并分別在平面應(yīng)力與平面應(yīng)變兩種條件下，對(duì)單軸拉伸壓縮試件的分叉失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比分析。2．由于試驗(yàn)過(guò)程中試樣的力學(xué)參數(shù)及應(yīng)變軟化階段特性和外載荷加載時(shí)的差異，其變形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)并不相同，并且試樣的變形破壞過(guò)程難于觀測(cè)。本文將材料的各向同性損傷與經(jīng)典的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則相關(guān)聯(lián)，將材料的各向同性損傷轉(zhuǎn)化為材料粘聚力和內(nèi)摩擦角的降低，確定了材料的損傷臨界面。應(yīng)用數(shù)值模擬手段對(duì)平面應(yīng)變條件下不同初始條件時(shí)試樣變形過(guò)程中特征點(diǎn)的應(yīng)力位移變化值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了試樣分叉與局部化帶形成過(guò)程中軸向應(yīng)力位移曲線、軸向-側(cè)向位移對(duì)比曲線、剪切帶網(wǎng)絡(luò)特征及其隨損傷程度、圍壓、泊松比變化的規(guī)律，并進(jìn)一步應(yīng)用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則考慮損傷的Mohr-Coulomb理論，推導(dǎo)出試樣的局部化方位角在不同的變形特征點(diǎn)隨圍壓和損傷程度的變化規(guī)律，并與數(shù)值模擬所得到的量側(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析。3．針對(duì)工程巖體中常見(jiàn)的Ⅰ-Ⅱ復(fù)合裂紋，采用數(shù)值模擬手段對(duì)巖體中不同傾角的一條裂紋與兩條共線裂紋的擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行了研究，從應(yīng)變的角度根據(jù)裂紋尖端附近塑性區(qū)最短距離斷裂準(zhǔn)則得到了不同傾角裂紋的破裂方向、裂紋尖端的塑性區(qū)最短距離及破壞后巖橋之間的有效距離。依據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段與自由段的受力機(jī)制不同，應(yīng)用等效應(yīng)變法和等效降溫法施加預(yù)應(yīng)力對(duì)巖體中單一錨索加固和群錨加固機(jī)理進(jìn)行了有限元分析，給出了預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段與巖體的受力與變形特征，指出了應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索加固時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題，并結(jié)合研究了預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)裂隙巖體的錨固止裂效應(yīng)，對(duì)比分析了不同傾角的兩條共線裂紋的在不同錨固條件下的擴(kuò)展機(jī)制。4．分析了非局部理論中不同形式的權(quán)函數(shù)的性質(zhì)及其選取原則，給出了其影響域及其隨內(nèi)部長(zhǎng)度因子變化的規(guī)律。為了消除裂紋尖端附近應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的奇異性問(wèn)題，應(yīng)用采用不同形式權(quán)函數(shù)的非局部理論分析了Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布影響，并與裂紋尖端附近不同方向上的局部應(yīng)變進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)而探討了基于不同權(quán)函數(shù)的非局部理論與應(yīng)力強(qiáng)度因子K_Ⅰ與K_Ⅱ值對(duì)于裂紋尖端非局部各個(gè)應(yīng)力應(yīng)變分量的影響。5．考慮線性軟化模型不能反映材料軟化變形復(fù)雜性的不足，選取高斯正態(tài)分布函數(shù)作為非局部理論的權(quán)函數(shù)，同時(shí)采用指數(shù)型應(yīng)力衰減模式考慮軟化的非線性特征，進(jìn)一步地將這種非線性非局部理論與采用Laplace算子考慮塑性應(yīng)變梯度效應(yīng)的塑性