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)對裂紋應(yīng)力應(yīng)變場的影響、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。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：1．巖石類材料在彈塑性變形過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，通過理論推導(dǎo)得出了巖石類材料損傷失穩(wěn)時的最大硬化模量和此時的局部化方向角，探討了最大硬化模量與局部化方向角對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，對單軸拉伸壓縮試件的分叉失穩(wěn)問題進(jìn)行了對比分析。2．由于試驗過程中試樣的力學(xué)參數(shù)及應(yīng)變軟化階段特性和外載荷加載時的差異，其變形過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)并不相同，并且試樣的變形破壞過程難于觀測。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)值模擬手段對平面應(yīng)變條件下不同初始條件時試樣變形過程中特征點(diǎn)的應(yīng)力位移變化值進(jìn)行監(jiān)測，分析了試樣分叉與局部化帶形成過程中軸向應(yīng)力位移曲線、軸向-側(cè)向位移對比曲線、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)行了對比分析。3．針對工程巖體中常見的Ⅰ-Ⅱ復(fù)合裂紋，采用數(shù)值模擬手段對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)力錨索加固時應(yīng)該注意的問題，并結(jié)合研究了預(yù)應(yīng)力錨索對裂隙巖體的錨固止裂效應(yīng)，對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)變場的奇異性問題，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值對于裂紋尖端非局部各個應(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