巖石變形特性與變形全過程統(tǒng)計(jì)損傷模擬方法研究.pdf

1、巖石作為一種含有缺陷的典型脆性材料，在各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下所體現(xiàn)的本構(gòu)關(guān)系是一個(gè)復(fù)雜的基礎(chǔ)理論問題。尤其在巖體工程的運(yùn)營(yíng)階段，巖石的變形特性將直接影響工程的正常使用。為此，本文綜合運(yùn)用連續(xù)損傷理論、細(xì)觀損傷力學(xué)與概率統(tǒng)計(jì)理論，在探討巖石損傷模型的基礎(chǔ)上，考慮各種荷載狀態(tài)，并對(duì)損傷變量合理演化，得到模擬各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的巖石損傷本構(gòu)模型，進(jìn)而在巖體工程中進(jìn)行應(yīng)用。
　　 首先，在基于Lemaitre應(yīng)變等價(jià)性理論的巖石損傷模型基礎(chǔ)上

2、，通過探討巖石應(yīng)變軟化變形過程中損傷變量或損傷因子的變化規(guī)律，并結(jié)合巖石應(yīng)變軟化變形全過程特征及其損傷機(jī)理的研究，探討了建立巖石損傷演化模型時(shí)考慮損傷閥值影響的必要性。在對(duì)現(xiàn)有巖石微元強(qiáng)度度量方法研究的基礎(chǔ)上，提出了可考慮損傷閥值影響的新型巖石微元強(qiáng)度度量方法，并引進(jìn)統(tǒng)計(jì)損傷理論，建立了可考慮損傷閥值影響的巖石統(tǒng)計(jì)損傷演化模型，該模型不僅能反映損傷閥值的影響，且能反映巖石損傷程度受應(yīng)力狀態(tài)影響和巖石損傷在不同應(yīng)力狀態(tài)下?lián)p傷起始點(diǎn)不同的特

3、性。
　　 其次，巖石的體積變化特征是巖石力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。針對(duì)現(xiàn)有巖石損傷模型的局限性與不足，將應(yīng)力作用下的巖石抽象為空隙、損傷與未損傷材料三部分，以空隙率反映巖石體積或空隙的變化，以損傷變量或損傷因子反映巖石力學(xué)性態(tài)的改變程度，通過對(duì)各部分材料的微觀受力及其與宏觀應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行分析，建立出可反映巖石變形過程中體積或空隙變化特性的新型巖石損傷模型，進(jìn)而建立出能反映巖石體積變化特征的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，并提出了其參數(shù)確

4、定方法。在該本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，通過探討巖石脆延特性及其相互轉(zhuǎn)化的力學(xué)機(jī)理與特點(diǎn)，利用求解多元函數(shù)極值的分析方法，建立巖石脆延特性相互轉(zhuǎn)化條件的確定方法，該方法能同時(shí)反映巖石所受荷載狀態(tài)與本身力學(xué)性質(zhì)對(duì)巖石脆延特性及其相互轉(zhuǎn)化特征的綜合影響，完善了巖石本構(gòu)模型的研究?jī)?nèi)容。
　　 再次，巖石應(yīng)變軟化變形破壞全過程模擬屬于巖石力學(xué)研究的一個(gè)重要分支。在分析巖石應(yīng)變軟化變形全過程不同階段變形特征基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有巖石損傷模型難以反映巖石破

5、壞后仍具殘余強(qiáng)度特性的不足，假設(shè)受載巖石可抽象為損傷和未損傷兩部分材料組成，其所受軸向荷載由這兩部分材料共同承擔(dān)，且損傷部分材料所受應(yīng)力為殘余強(qiáng)度，建立出可反映巖石破壞后仍具殘余強(qiáng)度特征的新型損傷模型。然后，在此基礎(chǔ)上建立出可反映巖石變形全過程特征的巖石統(tǒng)計(jì)損傷演化模型，進(jìn)而建立出可模擬巖石應(yīng)變軟化變形全過程的損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型，并提出了其模型參數(shù)的確定方法。通過實(shí)例驗(yàn)證表明該模型能較好地反映巖石峰后殘余強(qiáng)度階段變形特征。
　　

6、最后，為完善巖石變形模擬過程的研究?jī)?nèi)容，對(duì)巖石的動(dòng)態(tài)變形過程模擬進(jìn)行了研究。針對(duì)巖石動(dòng)態(tài)變形特點(diǎn)，引進(jìn)Kelvin模型的研究思路與方法，將巖石變形過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力視為靜態(tài)應(yīng)力分量與動(dòng)態(tài)應(yīng)力分量的疊加，分別以粘性元件和非線性元件模擬巖石單元?jiǎng)討B(tài)應(yīng)力分量與靜態(tài)應(yīng)力分量，并建立出巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力的力學(xué)分析模型，在此研究基礎(chǔ)上，利用粘性元件的力學(xué)特性和統(tǒng)計(jì)損傷理論分別建立出粘性元件和非線性元件變形過程模擬方法，進(jìn)而得到巖石三軸動(dòng)態(tài)變形過程模擬方法，