岩石類材料變形破壞的熱力學機制研究

《岩石類材料變形破壞的熱力學機制研究》是依託清華大學，由楊強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：岩石類材料變形破壞的熱力學機制研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：楊強
• 項目類別：面上項目

項目摘要

針對岩石類材料呈現的有別於經典塑性理論預測的變形破壞特徵，如非關聯塑性流動、剪漲等，本項目提出並將論證一個新的學術思想：岩石材料變形破壞的基本特徵源於內在的熱力學有旋熵流。擬在Rice的基於內變數的多尺度非線性非平衡態熱力學理論框架正則結構內引入有旋熵流，包括：①以非保守系統的拉格郎日力學或哈密頓力學改造正則結構；② 從Morse理論出發探討角點塑性流動的特徵；③ 借鑑流體力學處理湍流的模式來處理有旋熵流。最終從該框架中導出新一代的岩土塑性力學理論框架和實用模型。開展基於PFC的岩石變形破壞細觀數值模擬和基於SEM、CT的細觀物理試驗。發展波爾茲曼統計熵理論，從熵流的角度整理分析細觀數值模擬和物理試驗成果，研究提煉類似雷諾數的無量綱數以刻畫熱力學熵流流態變化轉涙點。理論分析、數值模擬、物理實驗三類研究方法互相借鑑、交叉、比對，最終建立新一代的岩土塑性力學理論框架和模型。

結題摘要

材料的本構方程包括塑性本構方程，一般需要由兩個初始函式，即自由能函式和耗散勢函式（或流動勢函式）確定。本研究提出只需要自由能函式並結合熱力學平衡條件便能直接導出關聯流動法則；與時間無關的塑性變形行為可以由在自由能函式非退化臨界點處的Hessian矩陣決定。因此證明了僅需要一個勢函式便能表征與時間無關塑性變形。岩土材料的塑性變形往往表現為非關聯流動的特性，通常認為基於“正則結構”的Rice熱力學理論不能描述岩土材料的非關聯流動特性，證明了如果存在自由能泛函，在Rice正則結構框架下也能描述材料的非關聯流動特性。如果存在自由能泛函，內變數的熱力學共軛力將不再是保守力。此時，熱力學共軛力不能由自由能函式直接導出，可以採用Darbox理論進行構建，因此需要多個初始函式，由此也指出了材料的非關聯流動實際對應多流動勢的熱力學過程。不僅如此，在材料系統中可能存在多個平衡機制來滿足熱力學平衡條件（熱力學流和熱力學力均為0），因此可能涉及到混沌與分叉問題。此項研究對本項目的貢獻在於證明了材料非關聯流動塑性變形是多勢區的熱力學過程，這對完善有旋區域多勢理論奠定了基礎。 岩石變形破壞對應的熱力學過程是在一個多勢、有旋流動範圍中。除了塑性破壞以外，與時間相關的蠕變破壞也是岩石工程中比較常見變形破壞形式，因此，本項目將研究範圍拓展至岩石蠕變破壞過程的研究，為此調研了大量關於岩石蠕變破壞的文獻，基於實驗室最新的“三軸流變試驗機”開展材料流變試驗和破壞試驗，用以驗證理論的正確性。構建適用於岩石材料的蠕變模型，建立內變數演化方程，並在此基礎上研究蠕變各階段對應的熱力學過程和熱力學狀態。蠕變模型能很好地描述材料蠕變的各個階段也說明構建的內變數演化方程具有一定的合理性。蠕變模型可以描述岩石材料蠕變過程中黏彈性變形和與損傷耦合的黏塑性變形過程。研究表明，材料黏彈性變形對應一個逐漸接近不平衡態的熱力學過程，即黏彈性變形是一個熱力學馳豫過程，該過程中材料系統的能量耗散率隨時間逐漸減小。研究也表明，在整個蠕變過程中熱力學流也從單勢、無旋流逐漸變為多勢、有旋流，同時表征熱力學狀態的特徵矩陣也由負定對稱陣，變為對稱半負定矩陣，最後稱為非對稱矩陣，即特徵矩陣發生“對稱破缺”。