14 / 2025-03-25 17:05:53

多场耦合作用下裂隙红砂岩动静力破坏演化特征研究

多场耦合,裂隙砂岩,能量演化机制,本构方程,破坏预测

三峡库区消落带岩体不仅处于干湿交替和温度变化环境，而且也经受着水位上升下降周期性循环荷载和地震动力荷载作用。本研究以三峡库区常见的红砂岩为研究对象，通过室内试验及理论分析，系统开展关于多场耦合作用下裂隙红砂岩动静力破坏演化特征研究。为三峡库区工程建设地质灾害预测预警提供一定理论支持。主要研究内容和结论如下：

①对裂隙红砂岩进行不同温度的热处理，研究了热处理前后裂隙红砂岩的物理性质和矿物成分变化，并对热处理后的岩样开展单轴压缩试验、三轴压缩试验和动静组合三轴压缩试验。获得了热力作用后裂隙红砂岩动静荷载组合下的强度变形特征，并基于能量耗散理论和非线性理论研究了裂隙红砂岩在热力耦合下的动静态能量演化机制。结果表明，温度升高会降低裂隙红砂岩输入能量和储存能量的效率，温度和加载方式均能改变储能极限，围压对储能能力的影响大于温度作用。根据非线性理论，将岩体加载过程从有序到无序分为跨临界稳定阶段、弹性稳定阶段、倍周期分岔阶段和混沌阶段。提出了裂隙红砂岩裂纹无序扩展的判据。

②基于损伤力学和非线性理论，考虑应力应变曲线的非线性特征和残余强度，构建了考虑动静组合加载的岩体热力耦合损伤本构模型。结果表明：通过引入Logistic模型，构建的初始压密阶段损伤变量Di可以较好地表征微裂纹压密的损伤特征；随着热处理温度升高，裂隙红砂岩的微裂纹闭合速率逐渐下降；建立的本构模型可以反映岩体三轴压缩的应力应变曲线特征，基于内变量建立的岩体本构模型能够描述循环荷载作用期间岩体的力学行为，模型参数随循环次数的变化规律表明，随着荷载循环次数增加，微元体强度集中程度提升，微元体强度减弱。

③通过对不同干湿循环次数的裂隙红砂岩试件单轴压缩试验、三轴压缩试验和动静组合三轴压缩试验，获得了干湿循环后裂隙红砂岩动静荷载组合下的强度变形特征。并基于损伤力学、断裂力学等理论知识，分别推导了三轴压缩情况下裂隙红砂岩的裂隙损伤变量、干湿循环劣化损伤变量以及受荷损伤变量的计算公式，其中受荷损伤变量综合考虑了循环荷载损伤和静力加载损伤。基于Lemaitre应变等效原理，建立了综合考虑了三种损伤变量的耦合损伤张量计算公式，并据此构建了干湿循环后裂隙红砂岩在动静荷载作用下的损伤本构模型，并利用有效介质理论对本构模型的压密段进行了修正。并通过对比试验得到的应力应变曲线，验证了本文所建立的干湿循环后裂隙红砂岩动静荷载组合下损伤本构模型的准确性。

④基于VOIGHT理论，建立了裂隙红砂岩破坏预测模型。对裂隙红砂岩力学试验过程进行声发射检测，对不同声发射信号参数进行对比，选取合适的声发射信号参数作为本文预测前兆因子（本文选取RT信号）。在预测计算步中使用实时计算的幂律指数p，这使得本文的预测模型的预测效果显著高于传统的以固定幂律指数值p的计算模型。通过试验数据，证明了论文预测模型在室内试验尺度的有效性和准确性。