【摘 要】
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岩石随着外载荷的增大发生变形和破坏,当外载荷保持不变时,变形并未停止,仍会持续增加,发生蠕变变形,其根本原因是岩石的非均匀性。岩石蠕变破裂是由岩石内部原始非均匀性引起的微观尺度破裂、细观尺度裂纹扩展和贯通、宏观尺度变形增大和破坏的过程,因此需要对岩石蠕变破裂的多尺度演化机理进行研究。论文从岩石蠕变破裂宏观演化实验和破裂断口微细观扫描实验出发,引入内动力的概念,分析岩石试件不同尺度变形破裂机理,建立
【基金项目】
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国家重点研发计划(2017YFC1503102),抚顺西露天矿区环境地质灾害风险评估; 国家自然科学基金面上项目(51474121),受载岩体变形、滑动过程中反馈特性研究,2015.01-2018.12; 辽宁省教育厅科学研究一般项目(LJYL035),非均匀岩体蠕变破坏机理研究,2016.06-2019.06; 国家自然科学基金青年基金项目(51304108),大面积采动地层长期稳定性研究,20
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岩石随着外载荷的增大发生变形和破坏,当外载荷保持不变时,变形并未停止,仍会持续增加,发生蠕变变形,其根本原因是岩石的非均匀性。岩石蠕变破裂是由岩石内部原始非均匀性引起的微观尺度破裂、细观尺度裂纹扩展和贯通、宏观尺度变形增大和破坏的过程,因此需要对岩石蠕变破裂的多尺度演化机理进行研究。论文从岩石蠕变破裂宏观演化实验和破裂断口微细观扫描实验出发,引入内动力的概念,分析岩石试件不同尺度变形破裂机理,建立耗散问题拉格朗日控制方程,给出蠕变破裂本构关系,以连续-非连续方法为基础进行求解和计算,模拟单轴压缩蠕变破裂和对径压缩拉张蠕变破裂演化过程,主要结论如下:(1)通过岩石蠕变破裂宏观演化实验可以看出,在初始蠕变和等速蠕变阶段,岩石表面无裂纹,主要为微、细观裂纹的萌生和扩展。当宏观破裂面形成后进入加速蠕变阶段,在加速蠕变阶段,沿破裂面产生摩擦滑动,最终发生破坏。(2)通过对典型破裂断口的微、细观结构特征及组成成分分析可以看出,岩石的微观组成成分、微细观结构不均匀。岩石由不同矿物组成,泥岩主要为石英、钾长石和云母,砂岩主要为石英和高岭石。岩石微观孔隙、裂隙等缺陷发育的结构非均匀性,是造成岩石微观破裂和细观裂纹扩展的主要原因。(3)从能量的角度,将蠕变时由岩石本身非均匀性引起的裂纹扩展驱动力,称为内动力,给出基于内动力的裂纹扩展判据,应用内动力概念分析微观裂纹萌生、细观裂纹扩展、宏观变形累积破坏机理。(4)通过数值计算可以看出,在初始蠕变阶段,由于岩石微观尺度上的非均匀性,微观裂纹随机产生,宏观变形持续增大,变形速率逐渐减小;在等速蠕变阶段,细观裂纹相互影响,连接、贯通,宏观变形速率保持不变,宏观破裂面形成后进入加速蠕变阶段;在加速蠕变阶段,沿宏观破裂面发生破坏,这与实验结果相吻合。综合室内实验、理论分析和数值计算可以看出,由于岩石的非均匀性,产生内动力,促使微观裂纹萌生,微裂纹加剧岩石的非均匀性,产生新的内动力,内动力驱动裂纹进一步萌生、扩展,非均匀程度继续增大。如此往复,形成一个反馈回路。同时当微观裂纹长度达到某一阈值进入细观阶段,细观裂纹连接达到某一阈值进入宏观阶段,裂纹逐级跃迁。岩石蠕变破裂多尺度演化机理为非均匀性引起的,内动力驱动下,微观裂纹萌生、细观裂纹扩展至宏观裂纹贯通的多尺度逐级跃迁和自组织的反馈过程。岩石蠕变破裂多尺度演化机理的研究可为岩石工程蠕变变形及灾害防治提供理论基础和技术支撑。该论文有图96幅,表9个,参考文献156篇。
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