含材料缺陷岩体局部化剪切带的启动及形成过程研究
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匀 的变形 场 。应变 局部化 剪切 带一 旦发 生 ， 原来 的均 匀
变形 模式 将被一 种 局 限在 一个 狭 窄 的带状 区域 内的 急 剧 不连续 的位 移梯 度所代 替 。
图 １ａ 为 典 型 的 岩石 全 程应 力 应 变 曲线 图 。Ｏ （） Ａ 裂 纹压密 阶段 与 Ｂ Ｃ塑 性 强 化 阶段 同 ＡＢ段 弹 性 变 形
＊ 收 稿 日期 ：０ ２０－ １ 修 回 日期 ：０ ２０ —４ ２ １—８０ ２ １—８０
第一作者 简介 ： 水义超（ ９ ４）男 （ １ ７一 ， 汉族） 河南宜阳人 ， ， 高级工程 师， 现从事技术 管理 、 一通 三防 、 地测等方 面工作 ； 国矿业 大学在读硕 士研究 较小 ， 以， 所 在数值及解析的过 程中， ＯＡＢ Ｃ段一般 多假 设 为 最 为 简单 、 基 本 的线 弹 最 性 规律 ， 当应力 达 到 峰 值 强 度 后 ， Ｃ点 后 ， 石 产 生 即 岩 应 变软化 的塑性 变形 ， 以反 映该 阶段变形 规律 最 为简 可 单的是线性软化 ， 因此 ， 可以把岩石全程应力 一应变曲 线 简化为 如 图 １ｂ所示 的双线性 规律 。 （） 在 图 ｌ ｂ 简化 的双 线 性 应 力 应 变 曲线 图 中 ， 硬 （） 在 化阶段 ， 曲线的斜率为正 ， 硬化模量为正值 ； 超过峰值强
Ｆ Ｃ数值模拟 ， Ｉ Ａ 通过预制材料缺陷， 再现剪切带 图案 的启 动 、 演化规 律等 ， 后 分析 不 同位 置 缺 陷剪 切 带 图 最
案 的复杂 性 。 １ 应变 局部化 剪切 带 的启动 机制
岩石 的变形 局 部化是 一个 逐渐演 化 的过程 ， 一个宏 观 上 的岩 石试样 ， 到 均匀 的压 缩 载荷 作 用 ， 试 件 加 受 在 载 的初期 ， 各处 的变 形 场基 本 上 是 均匀 的 ， 在接 近 或 超 过 峰值强 度后 ， 变形 强 烈集 中在 某 个 区域 上 ， 成 非 均 变
前， 岩样在缺陷位置处首先 出现剪切带， 随后 ， 剪切 带发展 ， 直至贯通至边界， 同缺 陷位置对剪切 带 不 的形 态有 着至 关重要 的影 响 。 关键 词 ： 变局 部化 ； 应 剪切 带 ； 启动机 制 ； 材料 缺 陷 中图分类 号 ： ＴＶ５ ４ 文献 标识 码 ： 文章编 号 ：Ｏ ４ ５ １ （ ０ ２ １ 一 ０ １ 一 Ｏ ５ Ａ １０— ７ ６２１ ）Ｏ ０６ ６ 近年来 ， 岩土体材料应变局部化剪切带的产生与发 展 、 变软化 及稳 定性 等问题 一直 是岩 土工程 界关 注 的 应 热点 和难点 问题 之一 ， 是 描述岩 土介 质真 实破坏 的理 这 论， 对判 断岩 土工 程 的失稳 与破 坏 起 着 重要 的作 用 ， 必 将 成为 岩土 塑性理 论 中重 要 的组成 部分 ＿ 。 １ ］ 煤 岩体破 坏具 有非 常典 型 的局 部化 破坏 现象 ， 坏 破 过 程很 少为 整个 系统 的全 面同时破 坏 ， 而常 常是材料 变 形 模式 从缓 慢平稳 的状 态 突 然 进入 有 强 烈 变形 的局 部 窄条带 为主 导变形 的阶段 ， 常称 窄条带 为剪 切带 。剪 通 切 带是 一个应 变梯 度极 陡 的窄带 ， 破坏 特点在 于其 内 出 现 了高 应变 梯度 和高变形 流动 ， 变梯度 在局 部化 阶段 应 起 到 了主导 和控 制作用 。在 岩石试 件 ， 煤样 的室 内模 拟 试 验和 现场地 质灾 害 调查 中均 能观 测 到 局 部化 剪 切 带 现 象［６。 ２］ ＿
剪切带的产生会在很大程度上降低材料的承载力， 而且 剪 切带 还会影 响结 构 的稳 定性 。因此 ， 变 局部化 剪 对应 切 带 的研究 ， 以进 一 步 了解 岩石 材 料 的 真 实 破 坏 过 可 程， 通过 预测 局部 化 的位 置就 可 以预测 自然灾 害 的破 坏 位 置 ， 于加 强煤 岩体材 料 的稳 定 性及工 程结构 稳定 性 对 具有 重要 的现 实 意义ｌ１】 ＿ 。 ７０ ＿ 国内许 多学者 在应 变 局 部 化剪 切 带 方 面做 了许 多 有益 的工 作 ， 取得 了一 些成果 Ｅ－３ 也 １１ 。但 由于受到实 验 １７
１ ６
西部 探矿 工程
２１ ０ ２年第 ｌ Ｏ期
含 材 料 缺 陷 岩 体 局 部 化 剪 切 带 的 启 动 及 形 成 过 程 研 究
水义超 ， 赵光 明
（． １ 中国矿 业大 学 ， 苏 徐 州 ２ １１ ； ． 江 ２ １６ ２ 安徽理 工 大学 ， 安徽 淮 南 ２ ２０ ） ３ ０１ 摘 要 ：应 变局 部化 剪切 带 的研 究是 国际岩 土工程界 关 注的热 点之 一 。对应 变局 部 化 剪切 带 的启 动
机制进 行 理论分析 ， 着硬 （ ） 随 软 化模 量从 正值 变为 负值 ， 变形模 式 由原先 的均 匀变形转 变为 不均 匀的 局部 化 变形模 式 ， 变局部 化 开始启动 ； 应 在平 面应 变条件 下 ， 用 Ｆ ＡＣ软件 对含 有 材料 缺 陷的岩 石 采 Ｌ 试件 的应 变局部化 剪切 带的启 动 、 传播 、 形成 进行 了数 值模 拟 。计 算 结果 表 明 ， 在应 力一 时 步峰值 之
实 践表 明 ， 形局部 化剪 切带 的 出现是岩 土材料 失 变
稳 的一 个重要 特 征 ， 可 以被 看作 是 材 料 破坏 的先 兆 。 它
设 备条件 和测 试手 段 的限制 ， 岩石 材料 变形 局部化 的 对 研究 工作 相对 仍然 较少 ， 得 的成果 还很 有 限。先从 理 取 论 上分 析 应 变 局 部 化 剪 切 带 的 启 动 机 制 ， 后 运 用 然
变形 模式 将被一 种 局 限在 一个 狭 窄 的带状 区域 内的 急 剧 不连续 的位 移梯 度所代 替 。
图 １ａ 为 典 型 的 岩石 全 程应 力 应 变 曲线 图 。Ｏ （） Ａ 裂 纹压密 阶段 与 Ｂ Ｃ塑 性 强 化 阶段 同 ＡＢ段 弹 性 变 形
＊ 收 稿 日期 ：０ ２０－ １ 修 回 日期 ：０ ２０ —４ ２ １—８０ ２ １—８０
第一作者 简介 ： 水义超（ ９ ４）男 （ １ ７一 ， 汉族） 河南宜阳人 ， ， 高级工程 师， 现从事技术 管理 、 一通 三防 、 地测等方 面工作 ； 国矿业 大学在读硕 士研究 较小 ， 以， 所 在数值及解析的过 程中， ＯＡＢ Ｃ段一般 多假 设 为 最 为 简单 、 基 本 的线 弹 最 性 规律 ， 当应力 达 到 峰 值 强 度 后 ， Ｃ点 后 ， 石 产 生 即 岩 应 变软化 的塑性 变形 ， 以反 映该 阶段变形 规律 最 为简 可 单的是线性软化 ， 因此 ， 可以把岩石全程应力 一应变曲 线 简化为 如 图 １ｂ所示 的双线性 规律 。 （） 在 图 ｌ ｂ 简化 的双 线 性 应 力 应 变 曲线 图 中 ， 硬 （） 在 化阶段 ， 曲线的斜率为正 ， 硬化模量为正值 ； 超过峰值强
Ｆ Ｃ数值模拟 ， Ｉ Ａ 通过预制材料缺陷， 再现剪切带 图案 的启 动 、 演化规 律等 ， 后 分析 不 同位 置 缺 陷剪 切 带 图 最
案 的复杂 性 。 １ 应变 局部化 剪切 带 的启动 机制
岩石 的变形 局 部化是 一个 逐渐演 化 的过程 ， 一个宏 观 上 的岩 石试样 ， 到 均匀 的压 缩 载荷 作 用 ， 试 件 加 受 在 载 的初期 ， 各处 的变 形 场基 本 上 是 均匀 的 ， 在接 近 或 超 过 峰值强 度后 ， 变形 强 烈集 中在 某 个 区域 上 ， 成 非 均 变
前， 岩样在缺陷位置处首先 出现剪切带， 随后 ， 剪切 带发展 ， 直至贯通至边界， 同缺 陷位置对剪切 带 不 的形 态有 着至 关重要 的影 响 。 关键 词 ： 变局 部化 ； 应 剪切 带 ； 启动机 制 ； 材料 缺 陷 中图分类 号 ： ＴＶ５ ４ 文献 标识 码 ： 文章编 号 ：Ｏ ４ ５ １ （ ０ ２ １ 一 ０ １ 一 Ｏ ５ Ａ １０— ７ ６２１ ）Ｏ ０６ ６ 近年来 ， 岩土体材料应变局部化剪切带的产生与发 展 、 变软化 及稳 定性 等问题 一直 是岩 土工程 界关 注 的 应 热点 和难点 问题 之一 ， 是 描述岩 土介 质真 实破坏 的理 这 论， 对判 断岩 土工 程 的失稳 与破 坏 起 着 重要 的作 用 ， 必 将 成为 岩土 塑性理 论 中重 要 的组成 部分 ＿ 。 １ ］ 煤 岩体破 坏具 有非 常典 型 的局 部化 破坏 现象 ， 坏 破 过 程很 少为 整个 系统 的全 面同时破 坏 ， 而常 常是材料 变 形 模式 从缓 慢平稳 的状 态 突 然 进入 有 强 烈 变形 的局 部 窄条带 为主 导变形 的阶段 ， 常称 窄条带 为剪 切带 。剪 通 切 带是 一个应 变梯 度极 陡 的窄带 ， 破坏 特点在 于其 内 出 现 了高 应变 梯度 和高变形 流动 ， 变梯度 在局 部化 阶段 应 起 到 了主导 和控 制作用 。在 岩石试 件 ， 煤样 的室 内模 拟 试 验和 现场地 质灾 害 调查 中均 能观 测 到 局 部化 剪 切 带 现 象［６。 ２］ ＿
剪切带的产生会在很大程度上降低材料的承载力， 而且 剪 切带 还会影 响结 构 的稳 定性 。因此 ， 变 局部化 剪 对应 切 带 的研究 ， 以进 一 步 了解 岩石 材 料 的 真 实 破 坏 过 可 程， 通过 预测 局部 化 的位 置就 可 以预测 自然灾 害 的破 坏 位 置 ， 于加 强煤 岩体材 料 的稳 定 性及工 程结构 稳定 性 对 具有 重要 的现 实 意义ｌ１】 ＿ 。 ７０ ＿ 国内许 多学者 在应 变 局 部 化剪 切 带 方 面做 了许 多 有益 的工 作 ， 取得 了一 些成果 Ｅ－３ 也 １１ 。但 由于受到实 验 １７
１ ６
西部 探矿 工程
２１ ０ ２年第 ｌ Ｏ期
含 材 料 缺 陷 岩 体 局 部 化 剪 切 带 的 启 动 及 形 成 过 程 研 究
水义超 ， 赵光 明
（． １ 中国矿 业大 学 ， 苏 徐 州 ２ １１ ； ． 江 ２ １６ ２ 安徽理 工 大学 ， 安徽 淮 南 ２ ２０ ） ３ ０１ 摘 要 ：应 变局 部化 剪切 带 的研 究是 国际岩 土工程界 关 注的热 点之 一 。对应 变局 部 化 剪切 带 的启 动
机制进 行 理论分析 ， 着硬 （ ） 随 软 化模 量从 正值 变为 负值 ， 变形模 式 由原先 的均 匀变形转 变为 不均 匀的 局部 化 变形模 式 ， 变局部 化 开始启动 ； 应 在平 面应 变条件 下 ， 用 Ｆ ＡＣ软件 对含 有 材料 缺 陷的岩 石 采 Ｌ 试件 的应 变局部化 剪切 带的启 动 、 传播 、 形成 进行 了数 值模 拟 。计 算 结果 表 明 ， 在应 力一 时 步峰值 之
实 践表 明 ， 形局部 化剪 切带 的 出现是岩 土材料 失 变
稳 的一 个重要 特 征 ， 可 以被 看作 是 材 料 破坏 的先 兆 。 它
设 备条件 和测 试手 段 的限制 ， 岩石 材料 变形 局部化 的 对 研究 工作 相对 仍然 较少 ， 得 的成果 还很 有 限。先从 理 取 论 上分 析 应 变 局 部 化 剪 切 带 的 启 动 机 制 ， 后 运 用 然