巖石類材料損傷局部化失穩(wěn)及錨固的力學機制研究

巖石類材料損傷局部化失穩(wěn)及錨固的力學機制研究巖石類材料內部微觀裂隙在載荷作用下的擴展貫通，導致材料內部形成劇烈變形的局部化帶，材料力學性能與整體承載能力下降，局部化帶內的劇烈變形進一步發(fā)展導致材料的最終破壞。為了防止裂隙巖體的變形破壞，需采用各種錨桿(索)進行加固。由于材料的損傷局部化失穩(wěn)與錨固機理極其復雜，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、應變軟化模型與局部化帶的特征點的對應關系、裂隙巖體的錨固止裂機理、不同形式的權函數(shù)對裂紋應力應變場的影響、非線性非局部應變梯度模型的探討等方面進行了比較深入而系統(tǒng)的分析研究。論文的主要研究內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容所引起的泊松比增大等變化特征，通過理論推導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系，并分別在平面應力與平面應變兩種條件下，對單軸拉伸壓縮試件的分叉失穩(wěn)問題進行了對比分析。2．由于試驗過程中試樣的力學參數(shù)及應變軟化階段特性和外載荷加載時的差異，其變形過程中應力應變狀態(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屈服準則相關聯(lián)，將材料的各向同性損傷轉化為材料粘聚力和內摩擦角的降低，確定了材料的損傷臨界面。應用數(shù)值模擬手段對平面應變條件下不同初始條件時試樣變形過程中特征點的應力位移變化值進行監(jiān)測，分析了試樣分叉與局部化帶形成過程中軸向應力位移曲線、軸向-側向位移對比曲線、剪切帶網(wǎng)絡特征及其隨損傷程度、圍壓、泊松比變化的規(guī)律，并進一步應用非關聯(lián)流動準則考慮損傷的Mohr-Coulomb理論，推導出試樣的局部化方位角在不同的變形特征點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值進行了對比分析。3．針對工程巖體中常見的Ⅰ-Ⅱ復合裂紋，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展機制進行了研究，從應變的角度根據(jù)裂紋尖端附近塑性區(qū)最短距離斷裂準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)預應力錨索的錨固段與自由段的受力機制不同，應用等效應變法和等效降溫法施加預應力對巖體中單一錨索加固和群錨加固機理進行了有限元分析，給出了預應力錨索的錨固段與巖體的受力與變形特征，指出了應用預應力錨索加固時應該注意的問題，并結合研究了預應力錨索對裂隙巖體的錨固止裂效應，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展機制。4．分析了非局部理論中不同形式的權函數(shù)的性質及其選取原則，給出了其影響域及其隨內部長度因子變化的規(guī)律。為了消除裂紋尖端附近應力應變場的奇異性問題，應用采用不同形式權函數(shù)的非局部理論分析了Ⅰ-Ⅱ型復合裂紋尖端的應力應變場的分布影響，并與裂紋尖端附近不同方向上的局部應變進行了對比，進而探討了基于不同權函數(shù)的非局部理論與應力強度因子K_Ⅰ與K_Ⅱ值對于裂紋尖端非局部各個應力應變分量的影響。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函數(shù)，同時采用指數(shù)型應力衰減模式考慮軟化的非線性特征，進一步地將這種非線性非局部理論與采用Laplace算子考慮塑性應變梯度效應的塑性