巖石破裂過程的細(xì)觀損傷虛內(nèi)鍵模型研究.pdf

1、本文在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，提出了一種新的力學(xué)模型，稱為基于細(xì)觀損傷虛內(nèi)鍵理論的巖石破裂數(shù)值模型。通過對(duì)比分析微觀虛內(nèi)鍵兩參數(shù)連接法則方程和宏觀巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線，基于細(xì)觀損傷理論，提出能夠描述巖石破裂過程的虛內(nèi)鍵密度演化函數(shù)，將虛內(nèi)鍵模型拓展成為微-細(xì)-宏觀多尺度數(shù)值模型。對(duì)巖石材料的基本屬性之一—非均質(zhì)性進(jìn)行合理描述，開發(fā)基于該模型的巖石破壞分析系統(tǒng)。
　　 本文主要工作及分析所得主要結(jié)論如下:
　　 1.在已有工

2、作基礎(chǔ)上，進(jìn)行巖石破裂過程分析系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作。對(duì)構(gòu)成巖石的基本單元—基元的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究:為了定量描述虛內(nèi)鍵密度隨著受壓變形而減少的變化趨勢(shì)，根據(jù)Lematire的應(yīng)變等效假說，以及脆性巖石在單軸壓縮下的損傷本構(gòu)方程，提出了虛內(nèi)鍵密度演化方程，從而得到包含虛內(nèi)鍵演化函數(shù)的非線性4階彈性張量。運(yùn)用Weibull分布對(duì)巖石材料的非均質(zhì)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述;提出了基元的兩種狀態(tài):實(shí)體基元和空氣基元，實(shí)體基元在外部荷載作用下是一個(gè)逐漸弱化的

3、過程，當(dāng)弱化到某一閥值時(shí)，轉(zhuǎn)化為空氣基元。
　　 2.對(duì)巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過虛內(nèi)鍵密度函數(shù)D（θ）中參數(shù)c1、c2的合理選擇，數(shù)值模型能夠再現(xiàn)巖石材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。非均質(zhì)系數(shù)m對(duì)巖石材料的本構(gòu)關(guān)系有重要的影響，m值越小，巖樣的峰值強(qiáng)度越低，峰后曲線比較平坦;m值越大，巖樣的峰值強(qiáng)度增大，峰后曲線越發(fā)陡峭。
　　 當(dāng)圍壓變化時(shí)，不論非均質(zhì)性系數(shù)m如何取值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為隨著圍壓的增大，峰值強(qiáng)

4、度增加。所不同的是，當(dāng)m值較小時(shí)（以圍壓=5MPa為例），峰值強(qiáng)度較低，m=3.0時(shí)到達(dá)最大值，然后又降低。
　　 3.對(duì)巖石破裂的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。從變形的角度定義巖石的破壞，運(yùn)用黏結(jié)面法則，當(dāng)細(xì)觀單元應(yīng)變超過聯(lián)接強(qiáng)度后，材料便自動(dòng)進(jìn)入軟化階段，細(xì)觀單元本身斷裂而成空洞，空洞隨變形長大使應(yīng)力場(chǎng)更不均勻，導(dǎo)致新的空洞成核或產(chǎn)生局部剪切帶，最后空洞成片聚合而形成宏觀裂紋。
　　 對(duì)大理巖而言，非均質(zhì)性對(duì)巖石破壞過程及

5、類型的有較大的影響:隨均質(zhì)度系數(shù)的提高，出現(xiàn)第一批破壞基元的時(shí)間依次退后，分別為第2步(m=1.1)、第4步(m=3.0)、第5步(m=7.0)、第6步(m=15.0);同時(shí)，當(dāng)均質(zhì)度系數(shù)較小時(shí)，破壞基元的分布比較分散，而當(dāng)均質(zhì)度系數(shù)大時(shí)，破壞基元?jiǎng)t相對(duì)比較集中，構(gòu)成主破裂帶。
　　 4.高徑比對(duì)巖石破壞形態(tài)的影響。從高徑比0.6的巖石破壞形態(tài)可以看出，巖石破壞明顯受端部約束的影響，所以進(jìn)一步破壞受阻，該條件下強(qiáng)度較高，失真嚴(yán)重

6、。高徑比為1.0的巖石破裂形態(tài)可以看出，隨著高徑比的增加，端部影響減弱，試件從右上部斜向剪出破壞，端部影響仍然存在。高徑比1.5和2.0的情況與1.0的類似，端部影響在逐步減小，這可以從與端部接觸部位的材料破壞看出。高徑比2.5的巖石破裂形態(tài)看出，試件發(fā)生了整體剪切破壞，說明端部效應(yīng)已經(jīng)減小到不至于影響材料破壞過程的程度。高徑比3.0的情況與2.5類似。綜上可以看出，端部效應(yīng)肯定存在于材料試驗(yàn)中，但是其影響在高徑比較小時(shí)作用明顯;其作用

7、隨著高徑比增加逐步減小，到一定程度后試件不穩(wěn)定性增強(qiáng)。因此，可以大致認(rèn)為巖石材料高徑比為2.5-3.0，這與IRSM推薦值是一致的。
　　 5.應(yīng)力與加載步（應(yīng)變）曲線峰后的動(dòng)態(tài)破壞過程:當(dāng)應(yīng)力與加載步曲線位于峰值時(shí)，巖石才開始在左下角出現(xiàn)主裂縫并呈活動(dòng)狀態(tài);在峰后階段，隨著應(yīng)力下降及加載步（應(yīng)變）的持續(xù)增加，巖石的微裂縫逐漸發(fā)展并貫通，直至最終破壞，破壞時(shí)的加載步（第59步）是峰值時(shí)（第26步）的2倍多，應(yīng)力約為峰值應(yīng)力的20

8、％。由此可以看出，巖石材料從微裂紋的產(chǎn)生到最終破壞經(jīng)歷了一個(gè)較長的發(fā)展過程，說明在圍壓(40MPa)作用下，巖石材料具有一定的塑性變形能力。
　　 6.對(duì)巖石破裂過程的聲發(fā)射進(jìn)行了數(shù)值模擬。當(dāng)非均質(zhì)度系數(shù)m較低時(shí)，對(duì)砂巖而言，加載初期有較多的聲發(fā)射事件發(fā)生，且后期聲發(fā)射事件比較平穩(wěn);當(dāng)非均質(zhì)度系數(shù)m較大時(shí)，加載初期的聲發(fā)射事件較少，而是在應(yīng)力峰值后有一個(gè)比較集中的聲發(fā)射事件發(fā)生。當(dāng)非均質(zhì)性系數(shù)m=1.1時(shí)，隨著圍壓的增大，聲發(fā)射