考慮應力效應的增強虛內(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聯(lián)的重要問題。由于連續(xù)介質(zhì)力學模型建模簡單、適應性強，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)力學模型是建立在連續(xù)層次基礎上的理論體系，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。巖石是具有復雜細觀結(jié)構(gòu)的天然地質(zhì)材料，其宏觀力學特性決定于細觀結(jié)構(gòu)的力學屬性，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力中，因此原AVIB模型還不能很好地應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，進而能夠模擬復雜

3、應力狀態(tài)下的巖石力學行為。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力效應。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)與所處的微元應力狀態(tài)有關，根據(jù)巖石宏觀三軸抗壓強度準則定義了應力效應系數(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。但僅靠改進的AVIB模型還能很好地模擬巖石應力跌落和跌落后的殘余強度問題。
　　 為了描述巖石的應力跌落現(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變理論為基礎，提出了兩個應力跌落準則。以局部化理論為基礎的應力跌落準則認為:巖石微元的局部化張量對應的矩陣奇異時，該微元將發(fā)生應力跌落;而以最大主應變理論為基礎的跌落準則認為:當巖石微元的最大壓應

5、變超過某一應變值時，該微元將發(fā)生應力跌落。其次，由于巖石微元的最大應力差對受壓狀態(tài)下的巖石破壞起著關鍵作用，因此假定在應力跌落過程中第二主應力保持不變，并且跌落到殘余Mohr-Coulomb屈服面上;在主應力空間中，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)，跌落后的第三主應力也可確定，然后將主應力坐標系下的應力張量變換到一般坐標系，即可得到跌落后的應力狀態(tài)

6、。應力跌落后，假設巖石滿足Mohr-Coulomb屈服準則，推導了相應的理想塑性本構(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力-應變曲線進行模擬，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力-應變曲線。通過對比兩種應力跌落準則的模擬結(jié)果，由最大主應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)理單元設置，可在原網(wǎng)格模型的基礎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，因而應用起來不甚方便。為了克服這一缺點，本文在原EPM的基礎上，建立了無厚度單元劈裂法。通過對相關試驗進行模擬，表明了本方法是有效的。