岩石损伤力学模型及其本构方程的探讨

１ 问题的提出 图１为典型的岩石应力－应变特性曲线［１］,其斜率随着应变的增大逐渐增大,至Ａ点后保持不变,到Ｂ点后又逐渐减小,在Ｃ点达到极大值,之后斜率为负,最终保持一定的残余强度（Ｄ点）,在应力不变条件下应变可无限增大。前人在研究岩石应力－应变曲线的基础上提出了许多岩石力学模型,以确定岩石的本构关系。如线弹性模型、理想弹塑性模型、双线性模型、多线性模型、双曲线模型、幂强化模型、应变软化模型等［１］。这些模型在一定范围内能反应岩石的应力－应变特性,有一定的工程应用范围。但是与岩石全应力－应变曲线相…     

基于能量耗散原理建立的损伤本构模型

在不可逆热力学的基础上,从材料微裂纹引起的能量耗散相等的角度出发,确定了材料的Helmholtz自由能的具体形式,从而得到一种新的建立脆性材料损伤本构关系的方法.并结合岩体特点,推导出了平面应变情况下含单组节理裂隙岩体的本构关系的具体形式.损伤演化率则在前人研究的基础上结合断裂力学及细观损伤理论给出.     

基于能量耗散定义损伤变量的方法

基于对材料变形中的本构能及耗散能的认识，依据循环加载计算耗散能，从能量耗散角度定义材料的损伤变量，并给出了损伤变量的理论计算公式及损伤阈值的确定方法，研究了相关试验结果的损伤扩展规律。     

基于能量耗散原理的各向同性损伤本构模型

从损伤是耗散能量的不可逆过程这一基本性质出发,将结构性土与对应重塑土在相同变形下的外力做功之差定义为损伤耗能,进而给出了结构性土体损伤变量的定义式。通过对已有试验数据的整理,得到了具有理论依据的损伤演化方程表达式。利用复合体损伤理论,建立了结构性土各向同性的损伤本构模型。     

岩石变形破坏过程中的能量耗散分析

岩石作为一种复杂的非均质地质材料，其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程。采用损伤演化方程可以从宏观上描述损伤变量以及与其相伴的广义热力学力——损伤能量释放率的变化规律。进一步通过细观损伤力学的研究，可以揭示岩石变形破坏过程中能量耗散的内在机制。围绕这一基于能量耗散的岩石力学研究思路及其相关进展，最终将建立基于损伤演化及能量耗散的宏．细．微观多层次耦合的岩石力学体系，这有助于更准确地解决岩石工程领域中更多的力学分析问题。     

能量耗散本构模型及其在三峡船闸高边坡稳定性分析中的应用

从不可逆过程的原理出发 ,分析了岩体开挖中的能量耗散。考虑了能量耗散对本构方程的影响 ,结合三峡工程实例进行弹塑性和流变状态的稳定性计算 ,并与常规计算模型得出的结果进行了比较     

岩石连续损伤本构方程

本文将连续损伤与裂纹系统弹性体的有效模量这两个分离的研究领域统一起来加以考虑,将损伤对材料性质的影响分成实际应力的变化和弹性常数的变化两部分,在Ｄｒｕｃｋｅｒ公设基础上建立了损伤演化律和损伤本构模型,初步计算表明,本模型在主要方面能够描述岩石的力学性质,并与一般实验事实相吻合。     

基于能量耗散和声发射的岩石损伤本构模型

为了更好地研究单向受载下岩石的本构关系和损伤演化规律,利用泥岩的单向压缩和声发射试验,分析了岩石的变形特点、能量转化和声发射特征,在此基础上,分别建立考虑能量耗散和声发射的损伤演化方程,提出初始损伤和临界损伤的定义,构建了能够反映岩石压密过程和残余强度阶段的损伤本构模型,并通过单向压缩试验结果对比分析了两种损伤演化规律及理论损伤本构关系。研究结果表明,两种损伤演化规律基本一致,都经历损伤缓慢增加、加速增加和残余损伤3个阶段;材料参数分别影响应力强化、软化和整体应力-应变曲线;两种理论损伤本构关系均较好地反映了岩石的单向受载变形特征,从而证明了所建损伤本构模型符合实际。     

岩石损伤变量及本构方程的新探讨

提出了基准损伤、负损伤、正损伤的概念，基于岩石损伤的CT试验结果，拓展了基于CT数损伤变量的内涵，推广了应变等价原理并给出单轴压缩状态下的损伤本构方程及其算例，最后把所提出的损伤末构方程和一些传统的损伤本构方程进行了分析比较。     

西龙池地下洞室围岩的现场监测及其稳定性分析

西龙池地下洞室群围岩呈缓倾角互层状结构，层理发育，岩性复杂，洞室开挖过程中，各种地质因素交互作用，洞室问相互影响。对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素作用下的综合稳定分析，并依据多种测试手段，对开挖后围岩的稳定性和变形进行实时监测，掌握了洞室层状围岩变形破坏特征。以地下洞室开挖为算例，研究了围岩的力学动态，得出一些有益的认识和结论。围岩位移量计算结果与监测数据较好吻合，为施工开挖步序提供了可靠的依据。     

岩石统计损伤本构模型及其参数反演

结合连续强度理论和统计理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,建立了岩石统计损伤本构模型。分析结果表明,将岩石破坏准则作为微元强度分布变量建立统计损伤本构模型时,破坏准则的选择对建立的模型曲线和损伤岩石等效弹性模量的影响较大,因此应选取合适的岩石破坏准则。运用岩土工程反演分析方法,求解了本构模型中的统计分布参数,使所得的统计损伤本构模型能够考虑应力状态对模型曲线的影响。与前人理论曲线和试验结果的比较表明,所建立模型合理且具有工程实用价值。     

岩体弹塑粘损伤力学模型及其工程应用

由于岩体受开挖卸荷作用，导致岩体损伤以及质量的进一步裂化，因此，有必要考虑岩体的损伤蠕变。将岩体损伤作为一种元件来考虑，将其和弹性元件、塑性元件和粘性元件串并联建立一种岩体弹塑粘性损伤力学模型。根据建立的力学模型，推导模型的本构方程，分析其蠕变特性，并得到该模型的等效蠕变模量的计算式。将其应用于工程实际中；并将所得结果与实测数据进行比较，其变形趋势相近。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

地下洞室群围岩稳定性分析及其结果的可视化

大型地下洞室群的稳定性是地下水电站面临的一个关键问题,三维非线性有限元方法常常用于评价地下洞室群的稳定性。介绍了有限元方法用于评价地下洞室群稳定性的基本方法,包括岩体本构模型的选择、非线性迭代方法、围岩失效准则、围岩稳定性评价指标以及锚杆和锚索等支护结构的模拟方法。为了实现计算结果的可视化,基于面向对象思想开发用于地下洞室群围岩稳定性分析的可视化软件系统。该软件能够方便绘制各物理量的空间等值线和空间矢量图形,并能显示结构变形以及失效破坏区的分布。除此之外,该软件还可以显示包括锚杆和锚索在内的锚固结构的空间图形和应力情况。最后,采用提出的计算方法和开发的可视化软件进行了工程实例分析。结果显示,提出的计算方法是合理有效的,所开发的可视化软件在计算结果的评价方面显示强大的功能。     

小浪底水利枢纽地下厂房岩体流变与稳定性FLAC3D数值分析

小浪底水利枢纽地下厂房稳定性分析中采用了三维连续介质拉格朗日方法数值分析软件FLAC3D,岩体流变本构关系采用FLAC3D的一个粘塑性模型.介质计算范围为357.10 m×246.44 m×451.50 m,三维网格有44 600个单元,48 705个节点.主厂房支护结构预应力锚索、张拉锚杆、混凝土喷层通过提高锚固范围内岩体的力学参数模拟,尾水管、尾水洞衬砌采用壳单元模拟.根据实际施工过程,将整个岩体开挖划分为7个开挖支护步,各步开挖荷载的施加时间为该步施工时段的中点.初始地应力场竖向应力取上覆岩体自重应力,水平侧压力系数取1.0.根据位移实测数据反分析确定岩体力学指标.竣工后4 a主厂房边墙岩体蠕变速率与收敛计实测结果吻合较好.分析表明,洞室围岩在施工过程中和竣工后长时期内具有良好的稳定性.     

盐岩非线性蠕变损伤本构模型及其工程应用

盐岩以其良好的流变、低渗透率及损伤自我恢复等特性,是目前国内外公认的能源、废弃物贮存和高放射废物地质处置的首选介质。结合金坛储气库盐岩三轴蠕变的研究成果,建立盐岩三维蠕变损伤的本构方程和损伤演化方程,并将建立的本构方程编制成有限元计算程序,模拟金坛储气库在注采过程中的蠕变和损伤演化的影响范围。研究成果对金坛储气库的运行压力设计具有一定的参考意义。     

充填体与岩体三维能量耗损规律及合理匹配

 根据灰砂配比为1∶4,1∶8,1∶10和1∶12的4种胶结充填体力学试验结果,揭示不同配比充填体三维损伤耗能规律。针对矿床开采岩体应力转移并释放能量特征,探索矿床开采过程中岩体三维能量释放规律。研究结果表明,矿体埋藏越深,开挖岩体释放能量越高;岩体弹性模量越高或泊松比越低,岩体释放能量越小。根据充填体与岩体耦合作用的三维能量耗损特征,探讨充填体与岩体的合理匹配,并用该匹配模型验证安庆铜矿采用最低充填配比1∶12开采矿石是可行的。研究发现,充填体与岩体的匹配系数K和三维原岩应力、岩体及充填体力学参数相关,不同开采技术条件必须设计合适的充填体抗压强度才能实现与岩体匹配。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。