《岩石細觀斷裂機理與多尺度本構模型研究》是依託上海交通大學，由張振南擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：岩石細觀斷裂機理與多尺度本構模型研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張振南
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
岩石細觀結構由岩石顆粒組成，顆粒界面形成網路結構。這種細觀界面網路結構幾何特徵、界面膠結及顆粒本身力學特性對岩石巨觀力學行為具有決定性作用。本項目以這種細觀結構為研究對象，擬採用電鏡掃描和數字圖像處理技術對岩石細觀結構信息進行分析和提取，運用分形幾何理論對細觀顆粒界面網路結構、顆粒分布及細觀裂紋擴展拓補結構進行描述；採用虛內鍵（VIB）理論對岩石細觀顆粒和顆粒界面進行力學建模，通過數值模擬方法對顆粒界面膠結特性、顆粒本身力學屬性、細觀裂紋擴展和細觀能量耗散關係進行研究，以明確岩石細觀斷裂機理，揭示岩石巨觀斷裂能的細觀物理機制，並在此基礎上構建岩石巨觀本構模型，以期在本構模型中反映細觀結構幾何和斷裂信息，豐富岩石本構物理內涵，加深對岩石力學行為的理解和把握。此研究為揭示岩石巨觀力學行為的細觀機理具有重要意義，同時也為裂隙岩體、陶瓷、混凝土等材料的多尺度力學模型研究提供了新思路。
結題摘要
岩石斷裂一直是岩石工程的一個核心問題。岩石巨觀力學屬性決定於細觀結構。為了探索岩石細觀結構與巨觀斷裂性能之間的關係，並建立多尺度本構模型，進行了理論與試驗研究。以大理岩為岩樣，通過三點彎曲梁試驗測得了巨觀斷裂能。通過SEM電鏡掃描和圖像處理技術分析了細觀結構圖。發現岩石顆粒界面網路結構及顆粒粒度分布都具有很強的分形特徵。界面結構分形維數和粒度分布維數分別與巨觀斷裂能呈很強的二次方關係和線性關係。斷裂能隨著兩種分形維數增加均增大，表明細觀顆粒最佳化級配及界面結構應滿足分形維數最大化，以增強巨觀斷裂韌度。根據細觀結構特點，在虛內鍵(Virtual Internal Bond-VIB)理論基礎上對岩石進行了多尺度本構建模。將細觀顆粒抽象為幾何點，顆粒之間通過VIB相連。為了反映顆粒之間的微裂隙，認為VIB滿足兩點分布。在裂隙處VIB係數取0，其它取1。通過該方法可以有效地將微裂隙效應引入巨觀本構。為了有效地描述細觀顆粒之間的壓剪破壞機理，引入了微觀Mohr-Coulomb準則，基於該準則的巨觀本構可以有效地再現岩石三軸抗壓強度和破壞特徵。為了綜合反映顆粒之間的剪下效應，建立了廣義Stillinger-Weber勢函式，同時考慮了鍵長和鍵角作用，使巨觀本構方程更能全面地反映細觀斷裂機理。為了建立適用於大變形斷裂分析的巨觀本構，以離散鍵元胞代替岩石代表單元體，建立了離散虛內鍵(DVIB)本構模型。由顆粒之間相互作用直接導出了鍵元胞的本構關係(力-位移關係)，從而可以使DVIB直接模擬大位移、大變形岩石斷裂破壞問題。為了反映不同細觀斷裂機理，元胞的本構關係分別基於兩體勢、廣義SW勢函式及彈脆性SW勢函式，使巨觀本構模型能夠有效地模擬岩石動態斷裂過程。為了解決DVIB的單元尺寸敏感性問題，提出了超彈雙線性勢函式來描述顆粒之間相互作用，考慮了微觀斷裂的尺度效應。完善了單元劈裂法(EPM),考慮了劈裂單元的體變形問題和裂尖單元問題。與擴展有限元(XFEM)相比，EPM同樣可以在不用重構格線的情況下對裂紋擴展進行模擬，但卻沒有引入任何額外自由度。其原因在於EPM採用線性外推插值技術而非結點富集(Nodal Enrichment)技術。研究成果揭示岩石細觀結構幾何特徵與巨觀斷裂能之間的相關性，為岩石斷裂破壞分析提供了一套微巨觀本構理論與計算方法。
