综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实, 提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此, 首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述, 其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量), 进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型, 并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明, 在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的, 而后随着应变的增加, 试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加; 随着节理条数的增加, 试件峰值强度逐渐降低, 但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的, 说明了本模型的合理性。     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

深部节理岩体塑性损伤耦合微面模型

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微面模型的MARC有限元子程序,对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.      

各向同性弹性损伤的双标量描述

损伤状态的描述是损伤力学中仍未完善解决的基本问题．我们旨在对此问题就最简单的一种情形——各向同性弹性损伤，进行较为全面的研究．首先，指出了古典各向同性损伤理论中，基于应变等效假设，用单个标量损伤变量描述损伤状态的局限性．然后，建立了一个用两个标量损伤变量描述的各向同性弹性损伤模型．此模型解除了古典理论的局限，能完全描述各向同性弹性损伤，并且得到本文数值实验的验证．最后，将本文模型与现有细观力学结果连接，给出了宏细观损伤变量之间的关系，使得细观量可以通过宏观量来反映，建立了一个用细观损伤材料常数描述细观缺陷特征的损伤本构模型     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式，其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先，运用模型元件的方法，将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成，对黏弹性响应的Maxwell体进行改进，将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体，构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型；其次，基于断裂力学及应变能理论，对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析，综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能，得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式；最后，将模型计算结果与实验结果进行比较，模型计算结果与实验结果吻合较好，证明了模型的合理性，同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

隧道围岩强度不均地段塌方成因及其处理方法

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微 面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积 损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性 理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约 束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微 面模型的MARC有限元子程序,对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳 定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体 的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.     

裂隙岩体损伤局部化破坏分岔模型及其应用

采用概率统计方法分析节理裂隙岩体的几何特征，定义了反映裂隙岩体几何特征的组构张量．基于不可逆热力学理论，通过裂纹扩展的细观分析，得出了损伤的发展机理和演化方程，把损伤演化和裂隙的几何特征的变化联系起来，建立了弹塑性损伤本构关系．为分析含有节理裂隙岩体在发生局部化破坏时的特征，通过对发生局部化时的裂隙岩体的分析。构造了适用于节理裂隙岩体局部化分析的不连续分岔模型．利用非线性规划数值解法，可以得出局部化破坏的方向特征．在有限元方法中，根据该模型给出了节理裂隙岩体相关的算例，分析表明该模型用于分析裂隙岩体的局部化破坏是有效的．     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

A dynamic damage constitutive model for a rock mass with non-persistent joints under uniaxial compression

Most problems faced by the practicing rock mass engineering involve the evaluation of rock mass dynamic strength and deformability. As part of a rock mass, the mesoscopic flaws such as the microcracks and the macroscopic ones such as the joints both inherently affect the rock mass dynamic strength and deformational behavior. Nearly none of the existing models can handle the co-effect of these two kinds of flaws on the rock mass dynamic mechanical behavior. This study focusses on the rock mass with multi-sets of non-persistent joints and establishes a mathematical model accounting for the anisotropy in dynamic strength and deformability induced by the joints. Accordingly, an approach incorporating the existing models or methods to enable perfect simulation of the dynamic stress-strain relationship of a rock mass is proposed, in which the joint geometrical parameters such as the joint length and dip angle, the strength ones such as the joint internal friction and the deformational ones such as the joint normal and shear stiffness can all be taken into account. In order to investigate the validity of the proposed model, a series of calculation examples have been made and the results fits very well with the theoretical ones.     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

三维加锚弹塑性损务模型在溪洛渡地下厂房工程中的应用

本文根据断续裂隙岩体的损伤机制,建立了三维弹塑性损伤本构模型反映裂隙岩体的损伤变形特性。考虑断续裂隙岩体的岩锚支护效应,建立了空间损伤锚柱单元模型模拟锚杆的支护效果。最后将建立的模型应用于溪洛渡水电站地下厂房,进行了洞室群开挖弹塑性损伤及岩锚支护三维非线性有限元计算,获得了一些有益的工程结论。     

A fracture damage model for Jointed rock masses and its application to the stability analysis of dam abutments

Based on continuum damage mechanics, for jointed rock masses, a fracture damage model is presented in this paper. First, the damage tensors are defined through the elastic-flexibility of intact rock and the equivalent elastic-damage flexibility for rock mass. Then, by the self-consistent principle of solid mechanics, the equivalent elastic-damage flexibility tensors involving the interaction between multicracks are deduced. The damage evolution law is proposed involving the mechanism of crack propagation process: frictional sliding, crack kinking, growing of branched tension cracks, interlinking of the microcracks near branched crack tips leading to the breakthrough of macro-cracks and finally the failure of rock mass. Thus the evolution of damage variables reasonably unified with the process of crack propagation is given. Finally, a plastic-brittle damage constitutive relation including brittle coupled strain rate, developed and applied to the stability analysis of complicated rock foundation of a dam in China, is described in this paper.     

复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

针对复合材料层合板的弥散型损伤,提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度,建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移,以此定义损伤张量,并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理,建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例,详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响,结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.      

An empirical statistical constitutive relationship for rock joint shearing considering scale effect

The scale effect of rock joint shearing is of great significance in rock engineering. Most existing shear constitutive models could describe the pre- and post-peak deformation of rock joints, but only in one particular scale, that is, those existing models will fail to depict the rock joint shearing in different length scales. Therefore, this study aims to establish a constitutive relationship for rock joints with considering the scale effect. Based on the assumption of a random statistical distribution of rock material strength and statistical mesoscopic damage theory, damage variables are defined as the ratio of the number of damaged elements to the total number in the shear process. Together with the nonlinear relationship between the microelement failure and the joint scale, an empirical statistical constitutive relationship for joint is established. And then, the determination method of constitutive relationship parameters and the variation laws with the scale are discussed. Results show that the predicted results of the proposed empirical relationship not only agree well with the experimental results but also fully describe nonlinear deformation, pre-peak softening, post-peak softening, residual stage, and other mechanical properties of the shear deformation of joint with different dimensions, thereby demonstrating the rationality of the constitutive relationship. The physical meaning of the constitutive relationship parameters is clear, and the expressions of the constitutive relationship parameters can be deduced from the experimental results. In addition, the influence of scale effect on the shear deformation of rock joints can be quantified using parameters, which help accurately describe the action form of scale effect.