考慮應(yīng)力效應(yīng)的增強虛內(nèi)鍵本構(gòu)模型與巖石類材料裂紋擴展模擬.pdf

1、巖石材料的本構(gòu)模型和裂紋擴展模擬方法是巖土工程中兩個相關(guān)聯(lián)的重要問題。由于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型建模簡單、適應(yīng)性強，所以一直是巖石斷裂破壞分析的普遍方法。但是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型是建立在連續(xù)層次基礎(chǔ)上的理論體系，它不包含材料微觀結(jié)構(gòu)，在模擬斷裂問題時需要外部的斷裂準則，而且本身也不包含斷裂機理，因而具有一定的局限性。巖石是具有復(fù)雜細觀結(jié)構(gòu)的天然地質(zhì)材料，其宏觀力學(xué)特性決定于細觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)屬性，因此若能從細觀結(jié)構(gòu)出發(fā)建立巖石宏觀本構(gòu)模型將具有重要的

2、意義。增強虛內(nèi)鍵模型(AugmentedVirtualInternalBond，AVIB)是以虛內(nèi)鍵(VirtualInternalBond，VIB)理論為基礎(chǔ)而建立的一種多尺度本構(gòu)模型，它為從巖石細觀結(jié)構(gòu)進行宏觀本構(gòu)建模提供了一個有效的途徑。但是原AVIB模型不能夠反映巖石的三軸強度特征。巖石一般處于三向受壓的地應(yīng)力中，因此原AVIB模型還不能很好地應(yīng)用于巖石斷裂破壞分析。為了使AVIB能夠再現(xiàn)巖石材料的三軸強度特征，進而能夠模擬復(fù)雜

3、應(yīng)力狀態(tài)下的巖石力學(xué)行為。本論文對原AVIB進行改進，創(chuàng)造性地在AVIB模型中考慮了微元的應(yīng)力效應(yīng)。由AVIB本構(gòu)模型的特點可知，材料宏觀強度決定于虛內(nèi)鍵微觀尺度常數(shù)。本文認為虛內(nèi)鍵微觀尺度常數(shù)與所處的微元應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，根據(jù)巖石宏觀三軸抗壓強度準則定義了應(yīng)力效應(yīng)系數(shù)，并通過虛內(nèi)鍵微觀尺度常數(shù)直接將該系數(shù)引入到原AVIB模型中。數(shù)模擬結(jié)果表明，這種改進的AVIB模型能夠很好地模擬巖石峰前力學(xué)行為，并能夠再現(xiàn)巖石三軸抗壓強度特征，為AVIB

4、模型更好地應(yīng)用于巖土工程以及在巖石類材料破壞分析方面奠定了基礎(chǔ)。但僅靠改進的AVIB模型還能很好地模擬巖石應(yīng)力跌落和跌落后的殘余強度問題。
　　 為了描述巖石的應(yīng)力跌落現(xiàn)象，本論文建立了一種新的跌落模型。首先，以材料局部化理論和最大主應(yīng)變理論為基礎(chǔ)，提出了兩個應(yīng)力跌落準則。以局部化理論為基礎(chǔ)的應(yīng)力跌落準則認為:巖石微元的局部化張量對應(yīng)的矩陣奇異時，該微元將發(fā)生應(yīng)力跌落;而以最大主應(yīng)變理論為基礎(chǔ)的跌落準則認為:當巖石微元的最大壓應(yīng)

5、變超過某一應(yīng)變值時，該微元將發(fā)生應(yīng)力跌落。其次，由于巖石微元的最大應(yīng)力差對受壓狀態(tài)下的巖石破壞起著關(guān)鍵作用，因此假定在應(yīng)力跌落過程中第二主應(yīng)力保持不變，并且跌落到殘余Mohr-Coulomb屈服面上;在主應(yīng)力空間中，巖石微元可看作為一個三軸“試件”，則該微元的第一主應(yīng)力跌落幅值由圍壓下跌落指標計算，再根據(jù)Mohr-Coulomb屈服函數(shù)，跌落后的第三主應(yīng)力也可確定，然后將主應(yīng)力坐標系下的應(yīng)力張量變換到一般坐標系，即可得到跌落后的應(yīng)力狀態(tài)

6、。應(yīng)力跌落后，假設(shè)巖石滿足Mohr-Coulomb屈服準則，推導(dǎo)了相應(yīng)的理想塑性本構(gòu)模型，用于描述巖石的殘余塑性流動狀態(tài)。結(jié)合改進的AVIB模型、應(yīng)力跌落模型以及殘余塑性本構(gòu)模型對三軸受壓下巖石的全過程軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行模擬，結(jié)果表明，本方法基本能夠再現(xiàn)常規(guī)三軸壓縮下巖石的全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過對比兩種應(yīng)力跌落準則的模擬結(jié)果，由最大主應(yīng)變法跌落準則所得結(jié)果更接近于試驗結(jié)果，因而對于巖石材料，最大主應(yīng)變跌落準則優(yōu)于局部張量法準則。

7、
　　 在巖石斷裂分析中，除了具有合適的本構(gòu)模型外，高效的斷裂模擬方法也是必不可少的。單元劈裂法(EPM)是近年來剛剛提出的一種斷裂模擬方法，它無需網(wǎng)格重劃分以及節(jié)理單元設(shè)置，可在原網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上直接對裂紋擴展進行模擬，使得裂紋模擬大為簡化。但原EPM包含節(jié)理厚度參數(shù)，而節(jié)理厚度較難測定，因而應(yīng)用起來不甚方便。為了克服這一缺點，本文在原EPM的基礎(chǔ)上，建立了無厚度單元劈裂法。通過對相關(guān)試驗進行模擬，表明了本方法是有效的。