節理岩體裂紋擴展及失效演化宏細觀機理研究

《節理岩體裂紋擴展及失效演化宏細觀機理研究》是依託同濟大學，由趙程擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：節理岩體裂紋擴展及失效演化宏細觀機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙程
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

天然岩石內部存在大量的微裂隙等缺陷。在外荷載作用下，隨機分布的缺陷會不斷聚合、擴展、貫通，並最終影響岩石的損傷演化及破壞形態。本項目擬採用自主研發的具有全過程、精細化量測功能的DIC可視化宏細觀分析系統，結合SEM掃描以及數值模擬等手段，從細觀層面入手、宏細觀結合方法研究節理岩體裂紋擴展及失效演化宏細觀機理：(1)通過可視化複雜荷載載入宏細觀試驗及SEM電鏡掃描試驗，建立考慮細觀損傷的宏細觀本構模型，結合數值模擬揭示細觀力學機理與巨觀力學回響之間內在聯繫；(2)通過室內試驗及數值方法研究，建立考慮宏細觀參數的節理岩體離散-連續混合數值方法，通過數值試驗，揭示節理岩體破壞的宏細觀力學機理和失效演化規律；(3)結合工程實際，通過可視離心試驗，驗證細觀模型，揭示接近實際應力場條件下節理岩體邊坡失效破壞機理。本研究將有助於揭示節理岩體破壞失效的宏細觀力學機理，提升人們對節理岩體工程災變機理的認識。

結題摘要

課題完成了採用自主開發的數字圖像分析軟體的含預置單裂紋、雙裂紋岩體在單軸壓縮下的應變場的擴展演化規律。對含不同預製裂隙岩體進行了不同圍壓下的常規三軸試驗，系統地了解了裂隙傾角和圍壓對岩樣的強度特徵和變形規律。採用掃描電子顯微鏡將岩石斷裂面細觀形貌特徵與裂紋生核、起裂、擴展及岩石整體破壞演進方式及過程中不同力學作用性質的分布規律建立聯繫，並結合相關量化分析方法，對岩石損傷機制進行探討。通過對裂紋尖端應力、應變場理論模型基於自定義參量的分析，並與試驗主應變場進行比較，最終建立了基於應變的強度準則。將該準則套用到擴展離散元數值模擬中，並將模擬結果與室內試驗結果比較，以進一步揭示岩體裂紋萌生、擴展、貫通的規律與機理。對含不同裂紋傾角的單裂紋花崗岩試樣進行單軸壓縮試驗。通過數字圖像相關技術深度分析了單軸試驗下的新生巨觀裂紋起裂以及擴展過程的全局拉伸、剪下應變場演化情況。綜上，本研究系統研究了岩石材料受荷過程中巨觀力學表現，利用電鏡掃描技術分析了拉剪裂紋細觀力學特性，基於斷裂力學裂紋擴展理論，展開了對裂紋尖端應力場和應變場的對比研究，針對斷裂力學中經典斷裂準則：格里菲斯準則與摩爾-庫倫準則進行改進，提出了基於全局應變場的應變強度準則。該準則能夠同時兼顧拉伸、剪下裂紋的判別，並大幅提升拉伸裂紋的判別精度。同時得到了岩石裂紋起裂、擴展、貫通過程中的全局應變場及岩石變形破壞過程不同階段的具體特徵，在材料脆性破壞瞬態演化過程的記錄與量化分析方面做出了突出貢獻，構建了了裂紋貫通過程中巨觀力學機制與細觀斷裂機理的聯繫。通過揭示岩體破裂過程中巨觀力學回響及細觀特性的影響，提出了基於全局應變場的應變強度準則及相應擴展離散元數值計算方法的災變分析方法，為耦合應力條件下岩體工程破壞的預測提供了理論依據，對於探究岩體工程的失效機理具有重要學術價值，對提高岩體的設計水平等具有重要的科學意義和工程實際意義。