（岩土工程专业论文）泥质板岩横观各向同性弹塑性耦合变形与强度准则的试验研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：遨日期： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储虢墟逑聊签磅醴b ：型年西扭 摘要 岩石在微观、细观和宏观尺度上都表现出各向异性。微观层次上， 晶体形成矿物集合体的排列方式会引起岩石细观矿物集合体的各向 异性。在细观层次上，岩石组分和矿物集合体的结合方式将对岩石宏 观力学各向异性产生极大的影响。 为此，本文针对含有明显层理状结构的泥质板岩，开展了微观矿 物成分、细观岩石结构和宏观力学性质的试验研究。 ( 1 ) 在微观尺度上，借助x r d 试验，分析出泥质板岩含有石英、 高岭石、白云母和斜绿泥石等矿物成分，并指出这些矿物的晶体以一 定方式排列时将对细观矿物集合体的各向异性产生影响。 ( 2 ) 在细观尺度上，通过扫描电镜试验，获得了泥质板岩细观 结构的显微照片。分析发现，泥质板岩的结构以变晶结构为主，包含 了由石英晶体形成的颗粒状矿物集合体和由高岭石、白云母和斜绿泥 石形成的片状矿物集合体，但以片状集合体为主。这些矿物集合体在 重力作用下以水平方向为优势方向排列，从而决定了泥质板岩具有横 观各向同性的力学性质。 ( 3 ) 在宏观尺度上，通过泥质板岩不同倾角岩样的单轴压缩和 三轴循环d r o o p 载试验，研究了泥质板岩的变形性质和强度行为。发现 泥质板岩的变形存在明显的弹塑性耦合现象。不同加载角度下的视弹 性模量随塑性应变的增大而呈指数规律衰减。采用数据拟合的方法获 得了视弹性模量与塑性应变间的经验函数关系。通过对循环d n 缶- p 载应 力应变曲线的分析，将塑性应变、弹性应变和弹塑性耦合应变从总应 变中分离出来。加载初期，泥质板岩以塑性变形为主，随着加载和总 应变的增大，塑性应变在总应变中所占的比重逐渐降低，而弹性应变 和弹塑性耦合应变的比重却在增大。泥质板岩的抗压强度与围压和加 载方向有关。强度的各向异性受围压影响显著，随着围压的增大，强 度各向异性降低。提出泥质板岩的粘聚力与摩擦系数随角度变化的经 验m o h r - c o u l o m b 强度准则。通过数据拟合，得到了准则中相关参数 的值，并在q 、和吧组成的三维空间中绘制了这个准则的强度面。 关键词：泥质板岩，微观结构，细观结构，x r d ，s e m ，横观各向 同性，弹塑性耦合，强度准则 a b s t r a c t a n i s o t r o p yo f r o c k sc a no c c u r a tt h em i c r o ，m e s oa n dm a c r os c a l e si na 1 1 t h ec r y s t a l so fm i n e r a l sh a v es o m ed e g r e ee f f e c t so nt h ea n i s o t r o p yo f r o c k s t h ee f f e c t s m a i n l yd e p e n d o nt h e a r r a n g e m e n t o fm i n e r a l a g g r e g a t e sw h i c hw e r ef o r m e db y t h ec o l l e c t i o no ft h em i n e r a lc r y s t a l s a t t h em e s o s c o p i cl e v e l ，t h ec o m b i n i n gf o r mo fc o m p o n e n t sa n dm i n e r a l a g g r e g a t e so fr o c k sh a v eg r e a te f f e c t so nt h ea n i s o t r o p yo f r o c km e c h a n i c s b e h a v i o r a n a l y s i so f m i n e r a lm i c r o - c o m p o n e n t sa n dm e s os t r u c t u r e ，e x p e r i m e n t s o f m a c r o s c o p i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa r g i l l i t ew i t hac l e a rs t r a t i f i c a t i o n s t r u c t u r ew e r el a u n c h e di nt h i sp a p e r ( 1 ) a tt h em i c r os c a l e ，t h ec o m p o n e n t so fa r g i l l i t e ：q u a r t z ，k a o l i n i t e ， m u s c o v i t ea n dc l i n o c h l o r ew e r ea n a l y z e db yx r d a r r a n g e m e n t so ft h e c r y s t a l so ft h e s em i n e r a l sh a v ee f f e c t s o nt h e a n i s o t r o p yo fm i n e r a l a g g r e g a t e sw a sp o i n t e do u t ( 2 ) a tt h em e s o s c o p i cs c a l e ，b ys c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y e x p e r i m e n t ，t h em i c r o g r a p h so fm i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo f t h ea r g i l l i t ew e r e p h o t o g r a p h e d a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em a i nt y p eo f s t r u c t u r ei na r g i l l i t e w a sc r y s t a l l o b l a s t i ct e x t u r e ，w h i c hc o n t a i n sg r a n u l a rm i n e r a la g g r e g a t e s m a d eo fq u a r t zc r y s t a l ，a n ds c h i s t o s em i n e r a la g g r e g a t e sm a d eo ft h e c r y s t a l so fk a o l i n i t e ，m u s c o v i t ea n dc l i n o c h l o r e b u tt h em a i nc o m p o n e n t w a ss c h i s t o s em i n e r a la g g r e g a t e s u n d e rg r a v i t y , t h e s em i n e r a la g g r e g a t e s a r r a n g e d t ot h ed o m i n a n th o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，a n dt h i sk i n do f a r r a n g e m e n t d e t e r m i n e dt h e a r g i l l i t e w i t h t r a n s v e r s e l yi s o t r o p i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( 3 ) a t t h em a c r os c a l e ，e x p e r i m e n t so fu n i a x i a lc o m p r e s s i o na n dt r i a x i a l c y c l i cl o a d i n gt e s t so fa r g i l l i t er o c ks a m p l e sw i t hd i f f e r e n ta n g l e sw e r e l a u n c h e d s t u d i e dt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hp r o p e r t i e so fa r g i l l i t e ，a n d f o u n dt h eo b v i o u se x i s t e n c eo fe l a s t o p l a s t i cc o u p l i n gd e f o r m a t i o n u n d e r d i f f e r e n t l o a d i n ga n g l e s ，t h ea p p a r e n t e l a s t i cm o d u l i d e c a y e d e x p o n e n t i a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo fp l a s t i cs t r a i n o b t a i n e dt h er e l a t i o no f e x p e r i e n c ef u n c t i o nb e t w e e na p p a r e n te l a s t i cm o d u l ia n dp l a s t i cs t r a i nb y i i f i t t i n gm e t h o d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc y c l i cl o a d i n ga n du n l o a d i n g s t r e s s s t r a i nc u r v e ，p l a s t i cs t r a i n ，e l a s t i cs t r a i na n de l a s t o p l a s t i cc o u p l i n g s t r a i nw e r es e p a r a t e df r o mt h et o t a ls t r a i n a tt h eb e g i n n i n go f l o a d i n g ，t h e m a i nd e f o r m a t i o nw a sp l a s t i c w i t ht h ei n c r e a s i n go fl o a da n dt o t a ls t r a i n ， t h ep r o p o r t i o no fp l a s t i cs t r a i ni nt o t a ls t r a i ng r a d u a l l yd e c r e a s e d ，w h i l e t h ep r o p o r t i o n so fe l a s t i cs t r a i na n de l a s t o p l a s t i cc o u p l i n gs t r a i ni n c r e a s e d t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fa r g i l l i t ev a r i e dw i t ht h ed i f f e r e n c eo f c o n f i n i n gp r e s s u r e sa n dl o a d i n gd i r e c t i o n s s t r e n g t ha n i s o t r o p yo fa r g i l l i t e s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e s ，a n dw i t ht h eg r a d u a l i n c r e a s i n g o f c o n f i n i n gp r e s s u r e s ，t h ed e g r e eo fs t r e n g t ha n i s o t r o p y r e d u c e d p r o p o s e da n i s o t r o p i ce m p i r i c a lm o h r - c o u l o m bs t r e n g t hc r i t e r i o n w i t hc o h e s i o na n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc h a n g i n gw i t hl o a d i n gd i r e c t i o n s t h r o u g ht h e d a t a f i t t i n gm e t h o d ，o b t a i n e d t h ev a l u e so fr e l e v a n t p a r a m e t e r s ，a n dg r a p h e d t h e s t r e n g t h s u r f a c eo ft h i sc r i t e r i o n i n t h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ec o m p o s e do f0 - ! ，i | ba n d0 3 k e yw o r d s ：a r g i l l i t e ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e s o s t r u c t u r e ，x r d ，s e m , t r a n s v e r s ei s o t r o p y , e l a s t o p l a s t i cc o u p l i n g ，s t r e n g t hc r i t e r i o n i i i 目录 摘j 要! ! i a b s t r a c t i i 第一章绪论“1 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 文献综述1 1 2 1 岩石微细观各向异性研究一1 1 2 2 各向异性岩石弹性常数的试验研究一2 1 2 3 各向异性岩石的弹塑性耦合变形研究一3 1 2 4 岩石各向异性强度准则研究4 1 2 5 各向异性岩石弹塑性本构关系研究。5 1 3 本文的研究内容和方法。6 第二章泥质板岩矿化成分、细观构造与各向异性研究。7 2 1 概述7 2 2 泥质板岩矿化成分与微观各向异性研究。8 2 2 1 晶体结构与力学各向异性8 2 2 2 晶体结构与x 光衍射试验9 2 2 3 泥质板岩的朋d 图谱、矿物成分及各向异性一9 2 3 泥质板岩细观结构与细观各向异性研究1 2 2 3 1 岩石的细观结构与构造1 2 2 3 2 材料的细观结构与s e m 试验1 3 2 3 3 泥质板岩的5 e m 照片与细观力学各向异性1 3 2 4 本章小结一1 6 第三章泥质板岩横观各向同性弹性常数的试验测定1 7 3 1 概述1 7 3 2 横观各向同性体弹性本构方程1 7 3 3 泥质板岩单轴压缩试验与弹性常数测定1 9 3 3 1 岩样制备与试验加载1 9 3 3 2 泥质板岩单轴压缩的应力应变曲线2 0 3 3 3 泥质板岩横观各向同性弹性常数的测定2 2 3 3 4 泥质板岩的弹性常数与角度的关系2 3 3 4 本章小结2 4 第四章泥质板岩弹塑性耦合变形的试验研究2 5 4 1 概j 苤2 5 4 2 材料的弹塑性耦合变形2 5 4 2 1 弹性、塑性和弹塑性耦合应变2 s 4 2 2 各向异性岩石的弹性模量与应变计算2 6 4 3 泥质板岩三轴循环加卸载试验2 9 4 3 1 加卸载试验方案与过程2 9 4 3 2 泥质板岩三轴循环加卸载试验成果3 0 4 4 泥质板岩视弹性模量与塑性应变的关系3 2 4 5 泥质板岩弹性、塑性和弹塑性耦合应变间的关系3 s 4 6 泥质板岩三轴循环加卸载的应变能研究3 8 4 6 。1 外力做功与材料内部虑变能的关系3 8 4 6 2 泥质板岩塑性应变能与加载应变增量的关系3 9 4 6 3 泥质板岩非弹性应变能与视弹性模量的关系4 2 4 7 本章小结4 3 第五章泥质板岩横观各向同性强度准则研究4 4 5 1 概述4 4 5 2 横观各向同性岩石屈服准则的一般形式4 4 s 3 泥质板岩不同围压下的抗压强度4 6 5 3 1 泥质板岩的压缩破坏模式4 6 5 3 2 泥质板岩不同同压下抗压强度的理论预测4 8 5 4 泥质板岩横观各向同性抗剪强度参数研究一一5 l 5 5 横观各向同性岩石的m o h r c o u l o m b 强度准则5 3 5 6 本章小结5 5 第六章结论与展望5 7 6 1 结论5 7 6 2 展望5 7 6 2 1 岩石微细观各向异性研究展望5 7 6 2 2 各向异性岩石弹性常数试验测定研究展望5 8 6 2 3 各向异性岩石弹塑性耦合变形研究展望5 8 6 2 4 各向异性岩石强度和屈服准贝0 研究展望5 8 6 2 5 各向异性岩石弹塑性本构模型研究展望5 9 参考文献6 0 j 改谢- 6 4 攻读学位期间的主要研究成果6 5 v 硕七学位论文第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 目前，我国西部的基础设施建设正处于快速发展阶段，高等级公路、大型水 利设施和客运专线的修建不可避免的要遇到大量的岩石工程。由于西部各省的地 形以山地、高原为主，地质条件复杂，岩石工程的规模大，存在的工程问题较多。 就滑坡而言，我国近几年发生的大型滑坡川，西部各省占了八成以上。文献 2 】 列出了近年贵州省几条高速公路建设中遇到的浅变质滑坡事故。进一步的研究发 现，这些发生滑坡的浅变质岩通常都具有层状结构，完整岩石也具有明显的层理 面结构特征，这种特征的岩石或岩体是典型的各向异性体。 岩石各向异性在各类工程中占有重要的地位。在水利水电工程中，岩石或岩 体的各向异性会影响到坝基的变形和稳定性，以及水的渗流特性。另外，引水隧 洞围岩的力学分析也需要考虑各向异性。在土木和采矿工程中，岩石各向异性影 响地下开挖，地表开挖和基础的稳定性，并且对钻孔，爆破和岩石开凿也有一定 影响【2 引。在地应力测试中，当岩石变形模量的各向异性度巨e 达到一定值时， 岩石的各向异性将会对地应力的测试结果产生显著的影响1 2 例。 目前，工程界常将这类岩石或岩体假定为均质的各向同性体来处理。多数实 验室只为设计提供少量的弹性常数和抗压强度参数。这样的处理，虽解决了工程 中面临的许多问题，但对于深入认识这类岩石和岩体的变形和破坏规律仍有不 足。在西部基建的大背景之下，深入开展这类岩石和岩体的各向异性力学性质研 究显得非常迫切。 本文以厦蓉高速公路贵州境内水口至都匀段为依托工程。选取了贵州山区工 程建设中一种常见的层理状岩石泥质板岩，作为研究对象，开展岩石的横观 各向同性弹塑性变形和强度研究。开展这一研究，将有助于丰富各向异性岩石力 学基本理论，对深入认识各类工程中遇到的横观各向同性岩石和岩体的力学、工 程性质及合理选取力学参数和计算模型具有积极的理论和工程意义。 1 2 文献综述 1 2 1 岩石微细观各向异性研究 岩石在微观、细观和宏观尺度上都表现出各向异性。某些岩石的矿物晶体具 有各向异性的结构特征，例如：高岭石、白云母等矿物的晶体都具有片状结构， 硕士学位论文 第一章绪论 由这些矿物组成的岩石在微观层次上就具一定程度的初始各向异性。文献【5 】系 统地研究了多种晶体结构具有的对称性以及描述其力学行为需要的独立弹性常 数的个数。 部分变质岩和沉积岩在成岩过程中，矿物颗粒的排列、裂隙的分布模式以及 层理和页理的形成，也造成了细观层次上的初始各向异性。h o b b s 等人曾对页理 这种片状结构做过深入的研究，指出含有页理结构的岩石可将其简化成横观各向 同性体【6 1 。 在更大的尺度上，被一组或多组节理切割的岩体，除了具有不连续性，还同 时具有各向异性。节理间的岩石可以是各向同性或各向异性的。节理的产状、贯 通情况和发育密度是决定岩体宏观各向异性的主要因素。方理刚在研究节理化岩 体等效弹性力学参数时，曾讨论过节理产状、密度与岩体正交各向异性及横观各 向同性间的关系【7 ，引。 x 光衍射试验( x - r a yd i f f r a c t i o n ，x r d ) 是现代物质成分分析手段之一。国 内学者主要借助x r d 试验，分析各类岩石或矿物的化学成分【9 ，1 0 】。可以通过x r d 试验分析出岩石的矿化成分，得到矿物的晶体结构，进而分析成岩矿物对岩石力 学各向异性的影响。 扫描电镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ，s e m ) 具有高分辨率、放大倍数大 等特点，在岩相鉴定和岩石细观结构构造方面也取得了极好的应用效果。科研人 员可以利用s e m 从细观尺度上分析和解释岩石的力学行为。目前，国内外学者 开展了大量的岩石s e m 细观构造试验研究，这方面的文献相当丰富【1 2 ，1 3 ，15 1 。总 结发现，研究人员主要应用s e m 技术观察岩石断口破坏特征l l5 j 和进行多因素耦 合作用下，岩石细观微裂纹萌生、扩展、贯通等损伤效应【1 3 1 5 j 的研究。 到目前为止，应用s e m 技术揭示岩石各向异性特征的文献尚不多见l l7 ，川。 以往的研究并没有指出当岩石的s e m 照片具有何种特征时，岩石是各向同性、 各向异性或横观各向同性的。 1 2 2 各向异性岩石弹性常数的试验研究 国内外学者提出了多种测定各向异性岩石弹性常数的试验方法。单轴压缩试 验以其操作简单和广泛的适用性一直是测定各向异性岩石变形和强度参数的常 用方法【2 0 2 0 ，2 2 ，2 3 1 。三轴压缩试验在研究各向异性岩石围压状态下的强度行为的 同时，可测定弹性常数，原理和计算公式与单轴压缩法相同，但需要扣除静水压 力的影响，而使用偏应力进行计算。n i a n d o u 和s h a o 等人【35 。、g o n z a g a 2 3 1 和张学 副州都曾对各向异性岩石做过三轴变形和强度方面的试验研究。 还有学者使用圆盘径向压缩法【2 7 ，2 0 ，2 8 ，2 9 1 测定各向异性岩石的拉伸弹性常数 2 硕十学位论文 第一章绪论 和抗拉强度。值得一提的是l i a o 等人【3 2 】还利用制备的岩样，采用直接拉伸法测 定出横观各向同性岩石的5 个拉伸弹性常数。 有些学者则使用空心圆柱体试样在压缩或扭转剪切应力条件下测定各向异 性岩石的弹性常数【3 0 ，3 l l 。但应用此法，试样制备比较困难。 另外，声波动测法因操作方便、成本低廉是测定岩石动弹性参数的最常用方 法，在工程实际中有广泛的应用。国内外的学者对各向异性岩石动弹性常数的测 定都曾做过大量研究工作【2 4 , 2 5 , 2 6 1 。 1 2 3 各向异性岩石的弹塑性耦合变形研究 岩石的弹塑性力学行为与经典连续介质有着明显的不同，主要表现为： ( 1 ) 岩石是摩擦材料，其屈服行为与静水压力有关，满足m o h r - c o u l o m b 屈服准则； ( 2 ) 岩石塑性流动不满足关联的流动法则，而应该使用非关联流动法则； ( 3 ) 岩石的弹塑性变形具有耦合现象，即弹性常数随塑性变形而退化。 d a f a l i a s 从广义热力学角度证明了弹塑性耦合导致的非关联流动问题【3 3 1 ，事 实上，弹塑性耦合与非关联流动密切相关【3 4 】。但到目前为止，还很少看到将岩 石的弹塑性耦合与非关联流动法则结合起来的研究成果。在建立岩石弹塑性变形 的本构方程时，人们普遍将弹塑性耦合与非关联流动分开考虑，而且塑性势函数 的选择有很大的随意性。这样处理的结果将导致所建立的弹塑性本构关系与热力 学c l a u s i u s d u h e m 不等式发生冲突，进而导致刀i u s h i n s 和d r u c k e r 公设不能满 足。 关于各向异性岩石的弹塑性耦合变形问题，国内外都鲜见这方面的研究。单 轴和三轴循环加卸载试验是研究岩石弹塑性耦合变形的理想手段。n i a n d o u 等人 采用三轴循环加卸载试验，研究了具有横观各向同性特性的页岩的弹性力学参数 与围压的关系【3 5 1 ，得到页岩的5 个弹性力学参数与围压的经验函数关系。尽管 他们获得了页岩三轴条件下的应力应变滞回曲线，但并未研究塑性应变对弹性常 数的影响效应。 由于各向异性岩石弹塑性耦合变形与非关联流动法则研究存在这些方面的 不足，本文的第三章将利用泥质板岩的三轴循环加卸载试验，研究塑性应变的增 长对泥质板岩不同加载角度下视弹性模量的劣化作用，以及泥质板岩弹性应变、 塑性应变和弹塑性耦合应变间的关系。这一研究内容和思路是对各向异性岩石弹 塑性耦合的非关联流动本构模型研究的一点尝试。深入研究还有待进一步的工 作。 硕十学位论文第一章绪论 1 2 4 岩石各向异性强度准则研究 随加载方向和应力水平的不同，各向异性岩石会表现出不同的强度值、破坏 模式和塑性变形规律。国内外学者基于不同假设和理论基础，提出了多种形式的 强度和屈服准则。这些准则可分为三种类型：数学型连续介质强度准则、经验型 连续介质强度准则和非连续型强度准则1 3 酬。 数学型连续介质强度准则以经典的连续介质力学理论为基础，假设强度准则 是连续变化的函数。h i l l 最早在各向同性m i s e s 准则基础上，提出适用于非摩擦 型材料的各向异性强度理论1 3 7 】。之后p a r i s e a u 又在h i l l 各向异性强度准则基础 上引入静水压力项，而得到适用于岩土等摩擦型材料的各向异性强度准则【3 引。 近年，c a z a c u 提出了一个各向异性强度准则【3 9 】。在应力空间的子午面内，其屈 服面为相对于等倾线的一端开口的非对称抛物线，在偏平面上，其迹线为椭圆。 当加载方向变化时，抛物线的形状、椭圆中心点的位置和偏心率都会相应地改变。 与经典塑性理论相比，c a z a c u 准则偏平面上的屈服迹线在一万6 见万6 内不 具有对称性。 这类屈服准则中，值得一提的是p i e t r u s z c z a k 等人提出的摩擦型材料各向异 性强度准则【5 2 ，5 3 ，5 4 ，5 5 1 。p i e t r u s z c z a k 等人在准则中引入标量的各向异性参数r l 。r l 是材料微结构张量珥，在加载方向，上的投影。这样刁将由摩擦材料的各向异性结 构和应力状态决定。p i e t r u s z c z a k 等人还基于各向异性参数巧的概念，提出适用 于各向异性摩擦材料的m - c 准则和d - p 准则【5 4 ，5 5 , 5 6 1 。2 0 0 7 年，l a d e 也引入各 向异性参数r l 的概念，提出适用于横观各向同性土的l a d e 屈服准则，并通过真 三轴试验获得了此准则在偏平面上的屈服迹线【5 引。l a d e 的准则是无粘聚力准则， 只适用于砂土和一些饱和度较大的软粘土。而p i e t r u s z c z a k 等人的各向异性m - c 准则和d - p 准则虽包含粘聚力项，但都假设粘聚力( 广义粘聚力) 为定值，不 随应力状态和加载方向变化。所以这几个准则都不能反映各向异性岩石真实的屈 服情况。 经验型连续介质屈服准则假设准则中的强度参数按照某种经验规律变化。 j a e g e r 变粘聚力屈服准则假设各向异性岩石的粘聚力c 是加载方向的函数，而认 为内摩擦力是常量。m c l a m o r e g r a y 强度理论则认为粘聚力c 和内摩擦角缈都 是加载方向的函数，并给出了c 和矽与加载方向目角的经验关系1 4 。r a m a m u r t h y 等人【4 2 ：2 0 】则通过大量的单轴和三轴试验数据拟合出非线性强度准则，表达式中 的各向异性参数被认为是加载方向臼角的经验函数。 非连续型屈服准则的最大特点是将各向异性岩石破坏模式进行分区，不同的 破坏模式对应不同加载角度区位，应用不同的分段函数表述。j a e g e r 提出的单一 弱面理论【4 3 1 ，将横观各向同性岩石的破坏模式分成岩石的破坏和沿弱面的滑动 4 硕十学位论文 第一章绪论 破坏，分别用两个分段的抗剪强度参数不等的m o h r - c o u l o m b 准则表述。d u v e a u 和s h a o 等人对这一理论进行了非线性修正m l ，使之可以更好的应用于高分层型 岩石( h i g h l ys t r a t i f i e dr o c k s ) 。h o e k 等人提出的各向异性屈服准则【4 引，岩石材 料参数m 和s 随弱面与最大主应力问的夹角而变化。2 0 0 1 年，t i e n 和k u o 提出 了一个分区破坏准则。按照这一准则，横观各向同性岩石存在三中不同类型的破 坏1 47 j ：穿切层理面破坏( h o e k - b r o w n 准则) 、沿层理面的滑动破坏( j a e g e r 弱面 理论) 和复合破坏( t i e n k u o 最大轴向应变理论) 。张学民【3 】对这一强度理论做 了新的发展，应用m o h r - c o u l o m b 准则代替h o e k - b r o w n 准则表述穿切层理面的 岩石破坏。 1 2 5 各向异性岩石弹塑性本构关系研究 与金属材料不同，岩土是一种复杂地质材料，内部包含了诸多结构型缺陷， 其变形和破坏往往具有明显的非弹性、不连续性和各向异性。基于关联流动的经 典弹塑性理论并不适用于岩土材料【4 8 】。 上世纪5 0 年代末，随着传统塑性力学、近代土力学、岩石力学及有限元法 等数值计算方法的发展，岩土塑性力学逐渐形成一门独立的学科【4 引。岩土多重 屈服面的概念最先由d r u c k e r 提出。他指出土体除了剪应力会引起剪切屈服外， 平均应力还会引起体积屈服，所以需再用一个帽形屈服面来描述平均应力产生的 体积屈服1 4 引。之后，这一建模思想得到了很好的应用：岩土塑性力学史上具有 里程碑意义的剑桥粘土模型就使用了帽形屈服面。谢守益在构建白垩岩的弹塑性 本构模型时就使用了描述孔隙坍塌的g u r s o n 屈服面【4 9 】。沈珠江、郑颖人等也基 于这一思想提出了具有多重屈服面和多重塑性势面的广义塑性力学【4 8 1 。 以上研究大多都是针对各向同性土体的。对于横观各向同性土体，袁聚云等 人提出一个基于l a d e 准则的弹塑性本构模型1 5 。一般而言，岩石不像土体那样 具有良好的一致性。岩石内部包含了随机分布的结构面和各类初始缺陷。许多情 况下，局部裂纹的扩展对荷载和缺陷的初始分布非常敏感【5 0 1 。对于各向异性岩 石来说，情况要复杂得多。各向异性岩石的变形和屈服行为不但与应力状态有关， 还与加载方向紧密相关。不同的加载角度对应不同的屈服和破坏模式【4 7 】。研究 表明各向异性岩石的屈服行为受到中间主应力的影响【5 5 】。所以在各向异性岩石 弹塑性本构模型中必须考虑岩石内部结构、应力状态和加载方向这三方面的因 素。在研究粘土初始各向异性和诱发各向异性时，p i e t r u s z c z a k 和k r u c i n s k i 使用 了依赖方向分布的孔隙率( d i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o no f p o r o s i t y ) 来定量描述粘土内 部的各向异性结构【5 2 5 3 1 。之后，他们又将其扩展为微结构张量的概念，引入到 各向异性岩石的屈服准则内1 5 4 5 5 5 刚。以此准则为基础，p i e t r u s z c z a k 等人提出了 硕十学位论文第一章绪论 考虑岩石内部各向异性结构、应力状态和加载方向的弹塑性本构模型【5 4 5 刀。l a d e 则基于微结构张量的概念，提出了一个以l a d e 准则为基础的本构模型【5 8 1 。 p i e t r u s z c z a ke t a 1 与l a d e 等人研究的不足是，模型中都认为粘聚力( 广义粘聚 力) 是一定值( l a d e 模型为无粘聚力模型) ，这一实际的情况不符。 1 3 本文的研究内容和方法 本文以贵州山区泥质板岩为研究对象，开展横观各向同性岩石弹塑性力学行 为的研究，主要内容为： 第二章借助现代物理分析手段_ x 光衍射试验和扫描电镜试验，获得了 泥质板岩的矿物化学成分和细观结构的s e m 照片。应用晶体学的知识，研究了 泥质板岩矿物成分的晶体结构对微观层次上力学各向异性的影响。应用岩石学的 知识，分析泥质板岩表面形貌的显微照片( 删照片) ，进而研究成岩矿物组分 的结构对泥质板岩细观尺度的力学横观各向同性的决定作用。 第三章在宏观层次上，通过泥质板岩室内单轴压缩试验，测定了泥质板岩 横观各向同性的5 个弹性常数。 第四章通过伺服控制的三轴循环加卸载试验，获得了泥质板岩的加卸载循 环曲线，进而研究了泥质板岩的弹塑性耦合变形性质。 第五章在p i e t r u s z c z a k 等人提出的微结构张量和各向异性摩擦材料的 m o h r - c o u l o m b 准则的基础上，研究泥质板岩不同围压状态下的抗压强度，以及 抗剪强度参数( 粘聚力c 和内摩擦角眇) 与泥质板岩层理面倾角的经验关系。 提出了横观各向同性岩石的粘聚力与摩擦系数随角度变化的经验m o h r - c o u l o m b 强度准则。通过数据拟合，得到了准则中相关参数的值，并在q 、和叽组成 的三维空间中绘制了这个准则的强度面。 6 硕士学位论文第二章泥质板岩矿化成分、细观构造j 各向异性研究 第二章泥质板岩矿化成分、细观构造与各向异性研究 2 1 概述 连续介质力学研究的对象在细观尺度上是均匀的连续材料，其单元体满足这 样的两个基本原则： ( 1 ) 微观无限大，单元体内包含了无限多的微观物质，这样才能保证材料 的均匀性和连续性； ( 2 ) 宏观无限小，相对于宏观尺度，单元体可以抽象成一个具有材料所有 物理力学共性的点，这样才能适应牛顿经典力学的框架。 岩石作为连续介质力学研究的对象之一，在微观、细观和宏观尺度上都表现 出各向异性。事实上，岩体并不满足连续介质的条件。根据尺度的不同，可将岩 石的力学各向异性在几何尺度上大致划分为三个层次：微观各向异性、细观各向 异性和宏观各向异性。在表2 1 中列出了这几种力学各向异性的相关信息。 表2 1 岩石的力学各向异性划分表 尺度研究对象产生原因岩石类型 研究手段 对工程建设的影响 各种力学间岩浆岩、 现场原位试 强烈地影响到工程建 岩体断面：节理、变质岩和验，t 程现场 设。岩体的结构类型 决定了t 程岩体的稳 宏观 裂隙、断层沉积岩的监控量测 定性和破坏模式 1 0 1 m 内部结构 以沉积岩 室内岩石力 对上程建没有较大影 面，物质分响，室内获得的岩石 岩石和变质岩学和物理性 物理力学参数对工程异面，层理 为主质试验 和页理面 建设具有重要意义 岩石组分的 变质岩和对工程建设具有一定 细观 岩石组分于j 列和充 沉积岩明光学显微镜、程度的影响。严重地 和矿物集填，以及矿 1 0 - 81 0 2 m 显、岩浆扫描电镜影响剑岩石的宏观力 合体物集合体的 岩不明显学各向异性 空间分布 晶体所具有对工程建设影响程度 微观成岩矿物的结构，以三类岩石 x 光衍射 不大。晶体的定向排 1 0 1 1 0 8m 晶体及物理和力均有试验列会影响到岩石的细 学各向异性观各向异性 从连续介质力学的两条原则出发，可以这样来考虑岩石的力学各向异性： ( 1 ) 岩石是混合物，包含了晶态和非晶态物质； ( 2 ) 由晶体学可知，成岩矿物的晶体具有物理和力学性质的各向异性，所 7 硕十学位论文 第二章泥质板岩矿化成分、细观构造与各向异性研究 以岩石在微观层次上一定是各向异性的； ( 3 ) 相同或不同成岩矿物晶体的结合形成了岩石的矿物集合体； ( 4 ) 如果在形成矿物集合体的过程中，成岩矿物品体杂乱无章地排列，所 形成的集合体在细观层次上是各向同性的；而成岩矿物晶体以一定规律定向排列 时，成岩矿物集合体在细观层次上将具有力学各向异性； ( 5 ) 在宏观尺度上，具有各向同性的矿物集合体会形成各向同性岩石。各 向异性的矿物集合体杂乱无序的排列也会形成岩石在宏观尺度上的力学各向同 性。而以一定规律定向排列则会形成各向异性岩石； ( 6 ) 宏观尺度上，岩体的力学各向异性与成岩的各向异性与否关系不大， 而主要取决于节理的切割方式。当空间内存在多组节理面密集地切割岩体时，岩 体可认为是各向同性的，反之则为各向异性。 泥质板岩是由沉积泥岩经过弱变质作用形成的浅变质岩，具有明显的力学各 向异性。本章将借助x 光衍射和扫描电镜试验技术，分析泥质板岩的矿化成分 和细观结构等特征，进而利用晶体学和岩石学的相关知识，研究泥质板岩在微观 和细观层次上的力学各向异性。在本文的第三、四和五章将通过室内力学试验， 研究泥质板岩宏观各向异性的变形和强度性质。 2 2 泥质板岩矿化成分与微观各向异性研究 2 2 1晶体结构与力学各向异性 固态物质可以是晶体的也可以是非晶体的。晶体内