基于细观力学的岩石弹塑性损伤模型研究

来源 :中国地质大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:funkfood
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天然岩石的变形与破坏过程本质上是非均匀非连续的,在外载荷与环境的作用下,岩石的微裂纹、微孔洞等细观缺陷萌生、扩展、汇合,使岩体力学性质产生了显著弱化并影响岩石失稳破坏的基本形态。然而,基于微裂纹扩展的岩石宏观塑性、损伤演化规律是岩石本构模型和工程应用的主要瓶颈。本论文以压缩载荷下岩石中细观裂隙的断裂力学特性为研究对象,从理论、数值等角度对岩石的损伤演化规律和弹塑性损伤细观力学模型进行基础科学研究。具体内容包括:探讨岩石的屈服函数、宏观塑性势函数和塑性硬化函数;研究在压缩载荷下,微裂纹的断裂扩展规律、密度分布函数及岩石的损伤演化规律;建立岩石弹塑性损伤细观力学本构模型及其有限元数值积分算法,用Fortran语言采用回映隐式积分算法编制算法程序,并嵌入到ANSYS有限元USERMAT子程序中;分析围压和微裂隙等因素对岩石力学行为和宏观塑性性质的影响,并与试验进行对比验证。本文旨在对岩体细观力学破坏模型进行更为深入的探索,以期更真实反映其破坏规律。研究成果主要包括以下几方面:(1)与单轴压缩载荷作用下弹塑性硬化/软化模型相比,所提出的宏观岩石弹塑性损伤本构模型既能反映岩石材料的塑性膨胀硬化又能表现岩石材料的损伤软化和塑性软化特性。与单轴压缩不同的是,单轴拉伸的岩石弹塑性损伤模型曲线并未出现塑性硬化段,就进入损伤软化阶段;另一方面,由于考虑损伤对材料弹性性质的影响,在弹性阶段所提出的宏观弹塑性损伤本构模型能反映单轴拉伸时材料的非线性弹性特性,比较符合岩石类材料的拉伸性质。(2)Drucker-Prager准则的纯I型裂纹尖端塑性区比Mises准则的尖端塑性区大,但两者塑性区形状相似;Drucker-Prager准则的纯II型裂纹尖端塑性区在裂纹上下表面不连续,且上表面塑性区小于Mises屈服准则的尖端塑性区,而下表面塑性区大于Mises的尖端塑性区。Drucker-Prager准则的复合型裂纹尖端塑性区比Mises屈服准则的尖端塑性区大,且上表面塑性区径长ρ几乎与Mises的尖端塑性区径长ρ都收敛于裂隙尖端,但其塑性区在裂纹上下表面不连续,下表面塑性区径长ρ不收敛于裂隙尖端,而收敛于翼裂隙下表面某一位置。(3)基于细观裂隙的弹塑性损伤模型在损伤研究方面更能反映岩石的破坏往往是由于岩石中微裂纹扩展引起的;随微裂隙变短,损伤相对滞后且损伤演化速率变缓。在应变增加的整个过程中,围压较大,对应的应力也较大;围压对初始宏观损伤影响较小,几乎同时出现宏观损伤;随围压增加,损伤速率也相对变缓,但在轴向应力达到屈服极限前,损伤段持续较长。(4)在此基础上考虑了岩石基质的塑性特性,同时定量表示岩石内部微裂隙扩展和伴随的基质塑性变形以及两者之间的相互影响。基于微裂纹扩展的能量理论所表示的岩石损伤张量D_c与初始微裂隙长a、单位体积微裂纹数目N、裂纹扩展长度l和裂纹间的摩擦系数μ等因素的关系。当轴向压力达到屈服极限时,初始微裂隙较小的对应着翼裂纹的扩展长度也较短;不同的初始微裂隙长对初始塑性变形的出现的位置无影响。
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