动载下典型节理岩体本构模型及破坏机理研究

动载下节理岩体的本构模型及破坏机理已成为国内外研究热点，它广泛存在于地震、爆破等动载作用下的边坡、地下硐室及隧道等众多工程中，具有重要的实际意义。项目首先采用试验方法对典型节理岩体如含单条或单组节理的岩体在准静态（岩石三轴仪加载）、动态（Hopkinson压杆加载）和强动态（轻气炮加载）三种不同应变率加载下的力学响应及破坏模式进行研究，探索试件长径比、载荷应变率及节理的几何特征与强度对其破坏模式的影响规律；其次，基于损伤及断裂力学理论构建典型节理岩体动态响应本构模型；最后，在对较适合于节理岩体破坏模拟的数值流形方法程序中的罚函数接触算法进行改进的基础上，把新建立的节理岩体动态响应本构模型嵌入到该程序中，以更真实地模拟节理岩体的动力破坏过程。本研究旨在对典型节理岩体动力破坏机制进行更为深入的探索，以期更真实反映其破坏规律，进而推广到更为复杂的节理岩体，为相关工程设计提供理论依据。

实际工程岩体由于含有节理、裂隙等宏观不连续面而导致岩体的动力学特性与宏观完整岩石存在很大差异。本研究认为造成节理岩体与宏观完整岩石力学性质差异的根本原因是岩石中仅含有微裂隙、微孔洞等细观缺陷，而节理岩体不但含有上述细观缺陷而且还含有节理、裂隙等宏观缺陷。因此提出合理的节理岩体本构模型应同时考虑细观缺陷（细观损伤）与宏观缺陷（宏观损伤）共同影响的观点。基于这一观点，采用试验研究、理论分析及数值计算等多种方法对含单条或单组宏观节理的典型岩体力学特性进行了全面而深入的研究。根据节理岩体在外力作用下的变形破坏特征和采用的研究方法不同，本课题主要采用4种方法进行研究。第一种方法是把节理视为造成岩体宏观力学性质劣化的一种损伤，相对于宏观完整岩石内部的微裂隙、微孔洞等细观损伤而言，节理是一种宏观损伤，进而首先采用复合损伤力学观点建立了考虑宏、细观损伤耦合的节理岩体的静态损伤本构模型，然后基于动载下的岩体应力等于相应岩体试件在静载下的应力分量与动态附加应力分量之和建立节理岩体的动态损伤本构模型；第二种方法是根据岩体结构力学观点，把节理岩体视为结构面（节理）和结构体（完整岩石）的组合，进而根据组合模型方法建立节理岩体的动态损伤本构模型。第三种方法是根据Kipp&Grady等基于岩石爆破提出的岩石TCK动态损伤本构模型，然后在此基础上考虑节理等宏观损伤与微裂纹等细观损伤的综合作用，建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型。第四种方法是针对目前岩体损伤本构模型研究中没有考虑岩体基质的宏观塑性变形及仅用纯Ⅰ型应力强度因子求翼裂纹长度进而表示岩石损伤演化变量的不足，提出了综合考虑宏观塑性变形及微裂纹扩展损伤的岩体弹塑性损伤本构模型。.其次基于本文提出的节理岩体是同时含有宏、细观损伤的复合损伤材料的观点，对节理岩体的破坏机理进行了初步探讨。.最后，利用数值方法主要包括数值流形方法和ANSYS对节理岩体的动态响应分析及数值计算进行了研究。