拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(I):各向异性损伤本构模型

在拉应力作用下的考虑渗流的岩石本构模型研究尚且很少。采用细观力学研究了岩石损伤变形过程,考虑了渗流过程。由于选用了新的微裂纹扩展准则,提高了解方程效率;采用细观力学成果建立了考虑渗流的微裂纹面不连续变形对岩石变形影响规律,并采用断裂力学成果建立了考虑渗流的微裂纹应力强度因子;建立了同时考虑微裂纹扩展过程和渗流过程的岩石各向异性损伤本构模型,该模型也适用于岩体。     

压剪应力条件下各向异性岩石损伤本构模型和渗流模型(Ⅰ)：理论模型

采用细观力学研究了岩石损伤变形过程和渗流过程。在本构模型中增加了对剪胀变形机理和渗流对变形影响的内容,同时按照微裂纹发展过程建立了考虑微裂纹扩展、变形和渗透压影响的岩石各向异性渗流模型,使得模型能够更好地表述岩石的变形特性和渗流特性。所建立的模型能够考虑微裂纹闭合摩擦滑移、微裂纹发生自相似扩展和微裂纹发生弯折扩展等过程。     

拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(Ⅱ):各向异性渗透系数张量及算例

建立了同时考虑微裂纹发展过程、渗透压和变形影响的岩石各向异性渗透系数张量,推导了所建立本构模型和渗透系数张量的单轴拉伸方程,并和实验结果进行了对比。结果表明,建立的本构模型能够反映岩石的弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段的特征;能够很好地反映有渗流时岩石抗拉强度降低等渗流岩石力学特征;建立的渗透系数张量正确反映了随着岩石损伤的发展岩石中渗流的各向异性规律。该模型也适用于岩体。     

岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型

岩石类材料的动态本构模型研究是岩石动力学理论研究的基础问题。相比于其他的非线性理论,损伤力学理论已证实可成功地模拟岩石类材料的应变软化和渐进破坏等特征,可用于解释其静、动态破坏机制。现有的通过理论推导得出的动态本构中大部分并未考虑损伤因素,而通过维象学试验方法建立起的动态本构则缺乏损伤力学理论基础。为此基于弹性余能等效原理和损伤力学的基本概念,并结合动态试验,推导建立了岩石类材料的率相关弹塑性损伤模型。并通过与文献中的试验资料对比,证明了模型的有效性,为岩石类材料组成的结构的动力响应研究奠定了基础。     

考虑损伤门槛的统计损伤本构模型研究

在统计损伤理论的基础上,从统计损伤本构模型的一般性公式出发,考虑到岩石的受力状态,提出统计损伤本构模型应考虑损伤门槛的影响,建立了考虑损伤门槛的统计损伤本构方程。以石膏角砾岩的常规三轴试验结果作为实例,进行了验证。理论计算结果与试验结果对比表明,考虑损伤门槛的统计损伤本构模型是更加合理的。      

高温下岩石损伤本构模型及其验证

为完善高温条件下的岩石损伤本构模型及参数确定方法,基于有效应力理论,引入Weibull分布函数,在微元体强度服从Hoek-brown准则的条件下,考虑残存强度影响,对损伤变量修正,引入损伤修正系数,建立了能够反映高温作用下的岩石损伤特征统计本构模型。考虑岩石损伤过程中的损伤阈值因素,对本构模型采用分段函数的形式。通过试验,获取常规力学参数,依据本构模型参数求解过程,确定本构模型参数值,并拟合模型参数值与温度之间的关系。对模型理论曲线进行验证。结果表明：提出的高温岩石统计损伤本构模型理论曲线与试验曲线具有较好地相似性,更加贴近试验曲线,体现了本构模型的合理性。同时模型理论曲线与岩石三轴试验曲线具有较高的吻合度,说明本构模型能够反映出岩石的全应力− 应变曲线特征,能够体现出模型的适用性。模型为岩石强度的估算和岩石热损伤软化问题提供了参考。     

深部岩石统计损伤本构模型研究

为建立能够反映深部岩石变形全过程模拟方法,首先,针对强度准则的适用性条件建立了深部岩石强度准则,并在此基础上提出了深部岩石微元强度度量方式,同时,引入统计损伤理论,考虑损伤阀值对岩石损伤度量的影响,从而建立了统计损伤本构模型;其次,根据岩石三轴试验曲线特征给出了模型参数的确定方法,并在峰值应力和峰值应变分别与围压之间的关系基础上,建立了能够反映不同围压下岩石变形的统计损伤本构模型;最后,将试验曲线与本文模型的预测结果进行比较分析。研究结果表明:本文模型不仅能够反映深部岩石的变形过程,还能较好地反映岩石强度随围压变化的特性,表明了本文模型与方法具有一定的合理性和可行性。     

基于新型损伤定义的岩石损伤统计本构模型探讨

针对几何损伤理论中损伤定义的局限性与不足,对岩石损伤定义进行了改进;在此基础上,将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,建立出新型损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立出岩石统计损伤演化方程,进而建立起基于特定围压下的岩石损伤统计本构模型;然后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立了反映不同围压条件下的岩石损伤统计本构模型,并通过探讨模型参数的物理意义,初步建立了反映岩石软化与硬化特性相互转化的临界物理力学参数的确定方法。该模型能够反映岩石软化与硬化特性相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。     

压剪应力条件下板岩细观力学本构模型

为了研究板岩力学性质,采用细观力学方法对板岩建模进行了研究,并建立了板岩损伤本构模型。在模型中增加了对剪胀变形机制和渗流对变形影响的内容,使得模型能够更好地表述板岩的变形特性。所建立模型能够考虑微裂纹闭合、摩擦滑移、自相似扩展等过程。理论与试验对比结果表明本文模型是适用的。     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。     

考虑弹性模量变化的岩石统计损伤本构模型

为建立更为完善的岩石统计损伤本构模型,针对现有模型难以反映某些岩石在三轴试验条件下弹性模量随围压变化而改变的特性,从不同类型空隙对岩石变形性质的影响入手,深入分析了岩石弹性模量变化的机理,并在此基础上,依据弹性参数与岩石中未闭合裂隙数的关系建立了岩石弹性模量变化的分析方法。之后,引入统计损伤理论,考虑损伤阈值的影响和残余强度变形特征,建立了可模拟岩石变形全过程的统计损伤本构模型,并给出了基于三轴压缩试验曲线的模型参数确定方法。本文模型可反映岩石弹性模量随围压变化而改变的特性,且具备现有模型的优点,对岩石变形全过程模拟效果良好。最后,通过试验曲线与本文及同类模型理论曲线的对比分析,表明了本文模型的合理性与优越性。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

高应力区岩石统计损伤本构模型研究

为了反映高应力区岩石变形破坏全过程,通过引入双参数抛物线型Mohr强度准则,建立适用于高应力区岩体的微元强度度量方式,并假定由该度量方式得到的微元强度服从幂函数概率密度分布,结合连续损伤理论,考虑损伤变量修正,建立一个新的适用于高应力区岩体的统计损伤本构模型。以高应力区英安岩为验证对象,进行常规三轴压缩试验,依据岩石应力-应变曲线特征,给出模型参数确定方法。引用基于线性Mohr强度准则而建适用于浅部低应力水平岩体的相关统计损伤模型,利用该模型和所建模型对高应力区英安岩和相关文献中的高应力区砂岩、花岗岩试验数据进行验证,对比试验曲线和理论曲线,证明所建模型的可行性和适用性,并对英安岩累积损伤的扩展过程进行分析。     

参数型岩石几何损伤模型的构建及其应用研究

岩石几何损伤模型是建立统计损伤本构模型的重要基础。在岩石变形力学特性基础上对现有岩石几何损伤模型进行了回顾性分析,针对它们难以较好地反映初始损伤特征和峰后变形破坏特征的缺陷与不足,首先,将岩石材料视为由未损伤部分、初始损伤部分和后继损伤部分组成,提出了考虑初始损伤的岩石几何损伤模型;然后,通过探讨Weibull分布参数m和F0对损伤变量变化产生的影响,构建了参数型岩石几何损伤模型,在此基础上建立了应变软化类岩石统计损伤本构模型并进行了修正,给出了模型参数的确定方法;最后,通过模型验证和参数分析表明,修正后模型能够较好地模拟岩石变形破裂全过程,参数l和h对损伤变量变化产生的影响与m和F0等效,解决了现有岩石几何损伤模型存在的共性问题,该模型和方法具有一定的合理性和可行性。     

混凝土混合硬化黏塑性损伤统本构模型

传统的黏塑性统一本构模型只能用于金属类材料的本构分析,而不适用于混凝土的本构分析.基于此,以不可逆热力学理论为基础,选定了涉及混合硬化参量的Helmholtz自由能函数,推导出混凝土的黏塑性损伤耦合本构模型.通过对混凝土硬化模型的分析,构造了含运动硬化和等向硬化内变量的非相关流动势函数,又推导出流动方程以及内变量演化方程.所建模型对混凝土试验曲线的数值模拟显示,其能够正确描述混凝土的率相关性、非弹性体积膨胀特性、加载过程的软硬化特性以及由断裂和损伤引起的应力软化现象.     

基于内时理论的含瓦斯煤岩损伤本构模型研究

从内时理论出发,通过内蕴时间的重新构造,在Helmholtz自由能中引入损伤变量,利用连续介质不可逆热力学的基本原理推导出了含瓦斯煤岩的内时损伤本构方程,并给出了确定本构模型中各参数的方法。同时,对在三轴应力条件下所建立的本构方程进行了求解分析与试验验证。结果表明,该本构方程能很好地描述含瓦斯煤岩在损伤发生前后的变形特点,并能有效地反映含瓦斯煤岩的非线性和剪胀扩容等物理力学现象。