板岩横观各向同性力学特性与本构模型研究.doc

板岩横观各向同性力学特性与本构模型研究自然界中具有片理状的变质岩和层理状的沉积岩等岩石在垂直于层理面方向和平行于层理面方向的物理、力学性质表现出明显的差异性,称为岩石的横观各向同性。层状岩石具有横观各向同性性质,我国层状岩石分布广泛,在公路、铁路和矿山等岩石工程中经常遇到。岩石的横观各向同性对岩石工程的稳定性等有着重要影响,研究岩石的横观各向同性对岩石工程的设计、施工、变形和稳定性的预测都有十分重要的意义。本文通过试验研究炭质板岩的横观各向同性弹性、塑性和蠕变性质,并提出相应的本构模型。在弹塑性方面,开展水平层理试样和竖直层理试样的常规三轴压缩试验,建立了横观各向同性岩石弹塑性本构模型,提出了弹塑性模型参数的求解方法,并对弹塑性模型的参数进行了求解。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性岩石弹塑性本构模型和参数求解方法。分析了横观各向同性岩石的强度特征与破坏机理。在蠕变方面,通过开展水平层理试样和竖直层理试样的三轴压缩蠕变试验,研究不同层理的炭质板岩在不同加载路径下的蠕变特性,分析了蠕变流动方向。采用基于不可恢复应变的内变量蠕变方程,建立了横观各向同性岩石蠕变本构模型,提出了模型参数求解方法并求解了模型参数。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性岩石蠕变本构模型和参数求解方法。本文研究成果将为丰富岩石力学基本理论和解决相关工程问题提供理论基础。开展横观各向同性岩石弹塑性本构模型数值化研究,推导了横观各向同性岩石弹塑性本构模型的总刚矩阵。在Fortran编译环境下,采用ABAQUS中用户材料子程序UMAT对横观各向同性岩石弹塑性本构模型进行二次开发,将编写的UMAT子程序嵌入ABAQUS运行,模拟水平层理圆柱试样的常规三轴压缩试验,验证了本文所提横观各向同性弹塑性本构模型和编写程序的正确性。将本文所提模型应用于不同层理面隧道开挖研究,分析了层理面倾角对隧道变形的影响,与Hill模型计算结果进行对比,本文所提模型能更好的适用于横观各向同性岩土材料。