岩石材料各向異性彈塑性損傷耦合模型與數值模擬研究

《岩石材料各向異性彈塑性損傷耦合模型與數值模擬研究》是依託中國科學院力學研究所，由張均鋒擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：岩石材料各向異性彈塑性損傷耦合模型與數值模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張均鋒
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

岩質邊坡、隧道和礦山巷道等工程岩體內富含節理和裂隙，非均質、多裂隙和各向異性是這些岩石類介質的重要特性。大量的岩石材料特性實驗已對包括強度和變形在內的各向異性特徵進行了分析，而岩石本構理論是建立岩石力學物理模擬、數值模擬與計算分析的基礎，是進行岩石力學研究的核心問題，但長期以來對岩石各向異性本構關係與屈服準則的研究始終沒有形成完整嚴密的理論體系，儘管獲得的研究成果已經套用實際工程，然而尚存在著許多缺點和限制。因此，綜合已有的岩石各向異性彈塑性理論和能夠描述反映岩石破壞軟化特性的岩石損傷力學，發展新的岩石各向異性彈塑性損傷耦合本構關係和破壞準則，以及開發相應的數值模擬計算程式，成為當前岩石力學發展的關鍵問題和工程的急需。上述問題的深入研究可深刻了解岩石破壞的機理，豐富岩石力學學科內容，又能對實際工程中圍岩的穩定性進行分析以便於選擇加固治理方案，具有重要的理論和實際意義。

結題摘要

岩石損傷力學已成為分析岩石破壞和穩定性的有效手段。通過對國內外岩石材料各向異性本構模型的相關分類、模型及其工程實例套用的進行研究，從岩石各向異性的機理、宏細觀模型，到數值模擬各方面進行了系統總結分析。 在此基礎上，採用熱力學方法對岩石材料各向異性損傷本構模型進行了推導。沿用常規損傷本構理論的方法，將廣義標準材料的能量勢函式視為自由能，並著重研究耗散函式。利用提出的本構模型及屈服準則，探討了各向異性岩石材料屈服面隨損傷的演化規律。採用VUMAT子程式對簡單各向異性屈服準則分別採用隱式和顯式積分的計算效率進行對比。將建立的各向異性岩石材料彈塑性損傷本構關係和屈服準則，編制了顯式有限元算法的程式，並基於商用程式ABAQUS進行了二次開發。對不同圍壓下岩石壓縮試驗結果進行了數值模擬。 在實驗方面，考察了淮南礦業集團謝一礦運輸大巷、煤巷等的變形情況以及河北顯德旺煤礦巷道的變形情況，收集了相關的工程地質資料、現場提取了岩樣；並在室內進行了岩石材料的物理力學性質測量，得到了各層岩樣的物理力學參數。此外，還開展了岩樣全程破壞過程的室內實驗及CT試驗，分別對灰岩壓縮、拉伸進行了測試，對花崗岩進行了單軸壓縮試驗，並從能量的角度出發，分析研究了岩石的變形破壞過程，揭示了這一過程的能量耗散及能量釋放特性。理論及試驗研究表明，在岩石變形破壞過程中，能量起著根本的作用。岩石的失穩破壞就是岩石中能量突然釋放的結果。從力學角度而言，岩石的變形破壞過程實際上就是一個從局部耗散到局部破壞最終到整體災變的過程；從熱力學上看，這一變形、破壞、災變過程是一種能量耗散的不可逆過程，包含能量耗散和能量釋放。試驗研究也揭示了應力–應變強度不能很好地描述岩石的破壞這一特性，在大體相同的應力–應變曲線下，試件的破壞形式不同，能量釋放量完全不同，因此，能量的觀點可以更好地描述岩石的變形破壞。 對非飽和岩石各向異性力學行為進行了理論分析、數值模擬與實驗驗證，在考慮初始的結構各向異性前提下提出了包含濕度的塑性損傷模型。利用該模型，數值模擬並實驗驗證了不同相對濕度下泥岩單軸壓縮、三軸壓縮、三軸循環壓縮實驗下非飽和條件泥岩的力學行為。 以上工作已完成項目的目標和內容。