裂隙化岩体应变软化损伤本构模型探讨

首先,针对基于Lemaitre应变等价性假说之岩石损伤模型的局限性与不足,在深入探讨裂隙化岩体变形损伤机制的基础上,考虑裂隙化岩体受载后体积发生变化的影响,采用空隙率反映裂隙化岩体变形过程中的空隙或岩体体积变化,并通过裂隙化岩体微观受力分析,建立裂隙化岩体损伤模型;然后,通过深入研究裂隙化岩体有效应力与宏观名义应力的关系,并引进统计损伤理论,建立裂隙化岩体应变软化损伤统计本构模型,同时提出其参数确定方法,该模型能够充分反映裂隙化岩体的应变软化特性,尤其是能较好地模拟裂隙化岩体变形初期空隙的压密阶段,同时,模型参数确定无需通过非常规岩石力学试验,且参数物理意义明确,应用将较为方便;最后,通过与前人研究成果和实测结果的比较分析,表明该模型的合理性与可行性。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。     

岩体粘弹性、粘塑性本构模型辨识及工程应用

 博士学位论文摘要　借鉴系统辨识的理论和方法, 基于实际施工中量测获得的岩体变形信息, 对岩石力学中更深一层次的逆向题——岩体粘弹塑性本构模型的辨识问题进行了较深入的探讨。初步建立起基于一般辨识原理和优化技术的岩体粘弹性、粘塑性本构模型辨识的理论和方法, 并用FORTRAN 语言编制了弹2粘塑性模型辨识程序EV E ID 和弹2粘塑性模型辨识程序EV P ID。学位论文完成的主要工作有:(1) 根据系统辨识所需的先验知识、实现的原理和一般步骤, 深入地研究了岩体系统本构模型辨识的特点, 从一般角度探讨了岩体本构模型辨识的途径和实现的方法;(2) 将n 阶线性偏微分方程视为连续介质弹2粘弹性本构方程的一般数学描述, 将初始地应力和特定形状洞室的开挖作为已知的输入, 现场实测数据作为系统的输出响应, 用解析的方法建立了隧道围岩系统弹2粘弹性本构模型辨识的一般方法, 并编制了相应的有限元为基础的辨识程序EV E ID;(3) 将P. Perzyna 方程的一般形式视为连续介质弹2粘塑性本构方程的一般数学描述, 基于上述(2) 中同样的输入、输出条件, 并考虑洞室开挖面空间影响效应, 建立了弹2粘塑性本构方程中流动系数C和屈服准则的函数5 的辨识方法, 并编制了以二维弹2粘塑性有限元为基础的辨识程序EV P ID;(4) 用数值方法正面分析了流动系数C和屈服准则的函数5 对隧道开挖中围岩位移影响的敏感性, 从而证明了C和5 的可辨识性, 并建立了C和5 的寻优途径;(5) 探讨了基于上述粘弹、粘塑性本构模型的辨识, 实现隧道掘进中围岩变形和应力、围岩稳定、支护结构安全度、工程投入运营后长期稳定性的预测及实时的支护质量监测与反馈修正的方法;(6) 用本文的辨识程序, 对某矿井下巷道掘进中的实测收敛值进行了实际的辨识计算, 证明了所提出的辨识方法的可行性。     

混凝土应变率型弹塑性损伤本构模型

针对混凝土在不同应变率加载作用下的变形和强度特征,在现有试验数据研究基础上,首先提出了基于热力学定律的一般弹塑性损伤模型,再将应变率敏感性参数引入其中,推导出了应变率型弹塑性损伤本构模型.模型计算结果与试验结果比较表明,所建立的本构模型可以很好地描述混凝土在不同加载速率时的力学特征.应用该模型可预测大范围应变加载情况下混凝土破坏强度.结果表明：应变率对混凝土力学性能影响较大.     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型研究

 三维压缩条件下,随着载荷的逐渐增加,岩石类材料内部微裂纹的传播与错动不断加剧,最终导致非线性应力–应变关系、弹性模量的减小、变形的各向异性、体积膨胀以及不可逆塑性变形等结果。这些现象可以利用连续损伤力学及塑性理论来描述。首先为考虑瓦斯吸附对煤岩的影响,在多孔介质有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过引入与塑性屈服准则相关联的各向异性损伤因子和损伤准则来描述含瓦斯煤岩的塑性变形及损伤演化过程。利用不可逆热力学原理,对含瓦斯煤岩的损伤演化规律及塑性变形与损伤之间的耦合效应进行有效描述。根据实验结果,采用非关联塑性流动法则,建立能反映各种应力条件下力学行为的含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型。通过理论与实验结果的比较发现,所提出的耦合弹塑性损伤本构模型能真实有效地描述含瓦斯煤岩在不同应力条件下的力学特性;同时,该模型还适用于其他岩石类材料的本构描述。     

裂隙岩体动态损伤演化与体积扩容方程

 与时间相关的岩石扩容现象源于岩体内部大量微裂纹的张性扩展。从断裂力学的裂纹研究出发,探讨不均匀加卸载过程中,岩体内部微裂纹在应力集中源附近的局部拉应力作用下,裂隙萌生和扩展的动态过程,并利用散布损伤力学手段描述裂纹体系的动力行为,建立起微观断裂与宏观扩容之间的联系。试验结果分析表明：本文所建立的扩容方程能够有效地描述加卸载过程中裂隙岩体的动态损伤演化和体积扩容全过程,与已有的形变方程一同构成深部岩体变形破坏动态本构模型的完备方程组。     

混凝土弹塑性耦合疲劳本构模型

考虑到混凝土具有弹塑性耦合的性质，本文运用弹塑性理论在应变空间建立了一个能描述混凝土和刚度变化的塑性面，通过改变屈服阈值来分析混凝土在疲劳加载下的本构特征。计算结果表明，该模型能较好的描述混凝土在单轴及多轴单调加载和疲劳加载下的性质。     

结构性软土三维弹塑性损伤本构模型研究

基于所提出的岩土材料统一各向同性破坏准则,通过引入椭圆–抛物双屈服面模型以及结构性损伤屈服面,结合复合体损伤概念,建立了三维主应力空间中弹塑性损伤本构模型,该模型能够反映结构性软土应力应变的非线性、剪胀剪缩特性、结构性以及中主应力对变形的影响。通过结构性软土试验结果与模型的计算结果对比分析,表明该模型能够较好地预测结构性软土三维空间的应力–应变特性。     

裂隙岩体非饱和渗流本构关系

基于连续介质的方法，通过裂隙非饱和渗流的二维数值模拟，对裂隙岩体非饱和渗流中应用Van Genuchten(VG)模型和Brooks-Corey(BC)模型进行评价并建立了改进的本构关系。VG模型虽然可以与持水曲线匹配得很好，但是VG模型和BC模型都对相对渗透率估计过低。模拟结果表明：改进的BC相对渗透率-饱和度的关系和VG毛管压力-饱和度的关系结合，可以较好地描述非饱和渗流的本构关系。     

钢纤维混凝土弹塑性损伤本构模型试验研究

对钢纤维含量为0和3%的混凝土进行了应变速率为10-3的等应变增量重复加卸载试验。结果表明,在相同应变水平时,钢纤维混凝土的累积塑性变形低于普通混凝土。钢纤维混凝土的刚度变化幅度较普通混凝土小,约为0.86倍初始弹性模量,而普通混凝土的约为1.1倍初始弹性模量。依据刚度退化规律,并考虑损伤临界值的影响,得到了关于应变的损伤变量表达式;依据试验结果得到了单轴受压状态下的混凝土全量弹塑性损伤全量本构模型。     

混凝土多轴弹塑性损伤本构模型

建立了混凝土的多轴弹塑性损伤本构模型.考虑到混凝土在受拉和受压荷载作用下的不同破坏机理,将应力张量分解成受拉和受压两部分,定义了塑性屈服函数,从而达到考虑混凝土塑性变形的目的.在连续损伤力学理论的框架内定义了相应的损伤变量,并分别给出了损伤准则,以描述材料的不同损伤过程.对混凝土的单/双轴受拉和单/双轴受压四种加载情形进行了数值计算,并与相关的试验对比,结果验证了模型的正确性及有效性.     

考虑裂隙闭合和摩擦效应的节理岩体能量损伤理论与应用

基于能量等效原理,建立了考虑裂隙闭合和裂隙表面摩擦效应的节理裂隙岩体本构关系,推导了预度张量及其增量的表达式,并将该研究成果应用于三峡船闸岩体稳定性分析。计算结果表明,本模型可以较好地反映节理裂隙岩休的力学特性及开挖过程中围岩渐进破坏的规律。     

岩石的临界状态非关联弹塑性本构模型

当前岩石的弹塑性本构模型还缺乏实用性强,又比较符合实际的模型。本文作者引用非关联流动规则和弹塑性本构理论中的临界状态理论,研究了一个岩体的非关联弹塑本构模型.此模型可适用于低应力水平下的岩体力学模型,及统一处理硬化和软化材料的力学关系.本文给出了应用此模型的石英试件分析结果.     

非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型研究

以复合体损伤理论为基础,建立了非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型。模型可反映原状膨胀土的三个主要特征(胀缩性、裂隙性和超固结性)造成的独特的力学特性,即,低围压情况下的软化和剪胀,围压较高时的硬化和剪缩以及干湿变化时的反复胀缩特性。模型共包含23个参数,都可由试验测定。     

具有统计损伤的岩石弹塑性本构模型研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了岩石的弹塑性损伤统计本构模型，在该模型中采用了总体应变与各组成相间应变关系与总体应力与各组成相间应力关系不一样的假设，并用最优化方法确定该模型参数。建立的模型能够反映岩石破坏前应力．应变关系和轴向应变．横向应变关系，与试验结果比较表明该模型是合理的。     

岩体粘弹性、粘塑性本构模型辨识及工程应用

博士学位论文摘要借鉴系统辨识的理论和方法，基于实际施工中量测获得的岩体变形信息，对岩石力学中更深一层次的逆向题——岩体粘弹塑性本构模型的辨识问题进行了较深入的探讨。初步建立起基于一般辨识原理和优化技术的岩体粘弹性、粘塑性本构模型辨识的理论和方法，并用...     

混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型

在提出了静力弹塑性损伤本构模型的基础上，通过对损伤能释放率阀值进行PERZYNA粘性规则化以及引入粘弹性一损伤阻尼应力，建立了基于能量的混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型；给出了该模型的基本公式和相应的非线性有限元数值实现算法，并对KOYNA混凝土重力坝进行了动力非线性数值模拟。结果表明：建议统一模型能较好地描述包括应变率效应在内的混凝土典型非线性行为，并可以直接在材料本构层次考虑阻尼的影响，同时其数值算法是稳定有效的，可以应用于大型混凝土结构的非线性分析。     

岩石类材料损伤黏弹塑性动态本构模型研究

 针对岩石类材料的动态力学特性,基于损伤演化和元件模型理论,将岩石类材料视为由具有损伤特性、弹性特性、塑性特性及黏滞特性的非均质点组成,建立考虑损伤的黏弹塑性动态本构模型,并推导出本构方程的微分表达式。将下山单纯形法嵌入自适应混合遗传算法中,编制反演分析程序,在岩石冲击试验数据的基础上,确定出损伤动态本构方程的待定特征参数。利用确定出来的动态本构方程得到的再生应力–应变曲线与试验曲线之间有很好的一致性,从而可验证该损伤黏弹塑性动态本构方程的适用性。