基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

基于复合损伤的节理岩体动态本构模型研究

基于运用霍普金森压杆（SHPB）装置对节理岩体动载试验得出的数据,从节理面倾角、贯通度、厚度、组数、填充物及应变率等不同方面分析各因素对节理岩体力学特性的影响,通过对节理岩体在高应变率下的损伤机制和破坏形式进行分析的基础上,基于复合损伤理论,对广义Bingham模型进行改进,构造了节理岩体材料在不同应变率下动态响应的本构模型,对模型计算和试验结果的比较表明,该模型能够很好地描述节理岩体动荷载下初始弹性变形阶段、稳态塑性变形阶段和加速变形破坏阶段的应力-应变关系,并且理论与试验结果吻合较好,从而证明了该模型的正确性和合理性。     

综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型

针对目前节理岩体损伤本构模型中仅考虑节理等宏观缺陷造成的损伤,而没有考虑岩块中微裂纹等微观损伤的不足,提出了综合考虑宏微观损伤的节理岩体本构模型。其中微观损伤模型采用基于应变强度理论和岩石微元强度服从Weibull分布假定的统计损伤模型,把其应用于被节理切割而成的岩块。而宏观损伤模型主要基于连续介质力学原理,把节理对岩体性质的劣化作为损伤来考虑。在考虑节理传压及传剪系数的基础上,提出了综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型。算例表明宏观节理的存在大大削弱了岩体的强度,降低了其刚度,增大了其柔性。所提出的模型能够较好地反映宏微观两类损伤对岩体应力-应变关系及强度的影响,较为合理。     

节理岩体能量损伤本构模型与工程应用

本文根据Betti能量互易定理,节理岩体能量损伤演化方程,广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了节理岩体的能量损伤本构模型,并将该模型编制成三维非线性有限元计算程序应用于溪洛渡地下厂房洞室群施工开挖稳定性分析,获得了较为满意的计算结果。     

考虑损伤的节理本构模型

本文在弹塑性损伤的理论框架内,讨论了节理等地质间断面的本构模型。这个模型能够反映节理面的损伤弱化,扩容和弹性刚度劣化等复杂特性。这个模型的另一优点是,塑性变形增量与屈服面是非正交的,但本构矩阵具有对称性。这种对称性在岩石力学的理论研究和数值分析中是至关紧要的。     

基于修正Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施

针对Mohr-Coulomb准则高估岩土体抗拉性能的局限性,建立考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型;系统地论述隐式本构积分算法的主要内容,推导相应的一致性刚度矩阵。以ABAQUS软件为平台,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序,对单轴拉伸试验和三轴压缩试验进行数值模拟,对比分析ABAQUS自带模型和自编模型的优劣,结果表明编写的修正Mohr-Coulomb模型能够有效地反映岩土介质的抗拉性能,弥补了ABAQUS自带模型的不足。     

双轴应力下非贯通节理岩体压缩损伤本构模型

针对目前节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理长度、倾角等几何性质,而未考虑节理抗剪强度等力学性质的不足,基于断裂力学中的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学中的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了在双轴应力下含单条非贯通闭合节理岩体的损伤变量计算公式,并根据断裂力学理论对双轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用,给出了单组单排及单组多排非贯通节理尖端应力强度因子计算公式,由此建立了相应的节理岩体双轴压缩损伤本构模型,并利用该模型进行了相应的算例分析。结果表明：对含单条非贯通闭合节理的岩体而言,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为0,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小;对含单组单排非贯通闭合节理的岩体而言,当节理总长度一定时,随着单条节理长度的减小及节理条数的增加,岩体损伤则逐渐减小,但其减小幅度与节理条数并不呈线性关系。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。     

节理岩体弹塑黏性疲劳本构模型研究

在疲劳荷载作用下节理岩体具有明显的瞬时塑性应变,有必要研究考虑瞬时塑性的节理岩体疲劳本构模型。提出节理塑性疲劳元件和双触发非线性黏性疲劳组合元件,假定节理塑性应力与应变成幂函数关系,加速疲劳应变为二阶非线性黏性应变。通过并联圣维南体改进伯格斯疲劳模型模拟稳定疲劳。在此基础上,提出并验证了一种新的节理岩体弹塑黏性疲劳本构模型。研究表明:该模型能较好地模拟完整岩石、节理岩体试验疲劳应变。该模型可以较好模拟疲劳加载条件下节理岩体稳定疲劳曲线,也可以较好模拟节理岩体非稳定疲劳的瞬时弹性和瞬时塑性应变、减速疲劳阶段应变、等速疲劳阶段与加速疲劳阶段应变。该模型拟合结果表明:节理岩体的疲劳瞬时塑性应变在疲劳瞬时应变中占较大比例,不能忽略其对疲劳应变的影响。该研究结果对预测节理岩体工程的疲劳变形和疲劳稳定性具有参考价值。     

基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究

大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。     

节理岩体本构模型与强度理论的统计断裂力学分析

本文提出了节理岩体的三维本构模型、强度理论及破坏概率的表达式。这里把节理岩体视作等效的各向异性连续介质,其具有裂隙张量S_(ifst)和柔度张量C_(ifst)。为了获得本构模型、强度判据及破坏概率,这里引用了能量平衡方程ω=ω_0+ω_c、断裂力学能量判据、岩体节理统计理论及可靠性理论,并引入了剩余剪应力τ_n,有效应力σ_(if)及最可能出现的最大节理半径a_m等概念。这套理论的初步应用是令人满意的。     

节理卸荷岩体非线性本构关系再研究

对地质材料模型、石膏模型、砂浆模型、进行了模型试验,通过对模型试验得出的数据进行分析、拟合,得出初步的节理卸荷岩体的增量本构。针对其不足,从参数选择、物理意义等方面进一步进行修正得出一改进的增量本构关系,并在有限元分析程序ADINA中接入该本构关系,对清江隔河岩电站厂房高边坡三维模型进行有限元分析。     

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

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,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明：（1）完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;（2）裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;（3）裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;（4）非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。     

基于Coulomb准则的混凝土塑性损伤本构模型及其数值验证

以连续介质不可逆热力学为基础,采用了Mohr-Coulomb屈服准则,提出混凝土塑性损伤耦合的新的本构方程。在该模型中采用了塑性应变 、各向同性损伤标量D作为内变量。这个新的本构关系模型严格满足热力学的基本方程。以不同围压作用下混凝土试件的单轴压缩行为为例,采用开发的程序进行了局部水平上本构模型数值验证。结果表明,模型损伤演化数值结果符合试验趋势。     

基于SMP准则的上海软土本构模型

根据上海典型软土的真三轴排水试验,文章提出了基于SMP(Spatially Mobilized Plane,空间滑动面)准则的平面上的形状函数,通过试验结果对形状函数进行了验证;提出基于SMP准则的上海软土的新的屈服函数,并与剑桥模型、关口-太田模型进行了理论比较,结果表明新的屈服函数能更好地反映屈服面的空间形态。     

岩体粘弹塑性-损伤本构模型及其有限元分析

本文将损伤力学的原理引入岩体流变学的研究,建议了一个损伤演化方程以描述岩体力学性质随时间不断弱化的现象。系统地推导了有限元计算公式。地下巷道位移的实测验算表明,本文的本构模型是合理而有效的。     

节理岩体等效损伤流变模型初步研究

对节理岩体等效损伤流变模型进行了初步研究,假设岩石为各向同性体各向同性损伤,节理面的法向和切向损伤不同,分别建立了岩石和节理面流变损伤演变函数。假设材料无损,计算应力采用有效应力,推导了节理岩体等效损伤流变模型有限元计算公式,编制了相应的有限元程序。算例分析表明,采用的节理岩体等效损伤流变模型是可行的,可较好地反映节理岩体的损伤演变过程。     

基于Hoek-Brown准则的节理岩体能量参数估算

岩体变形和破坏可以看作能量耗散和释放的过程。由于节理岩体结构复杂且难以开展室内试验,因此无法通过试验直接求取其能量学参数。基于Hoek-Brown准则和岩石能量理论,提出了节理岩体在临界状态能量学参数的估算方法。针对含贯通节理(或层面)岩体,通过修正岩块单轴抗压强度以体现贯通节理的方向效应。采用PFC~(3D)分别模拟小尺寸岩样(Φ50 mm×100 mm)和大尺寸岩体(Φ2 m×2 m)的三轴压缩试验,通过岩石三轴试验结果拟合岩石数值模拟的细观参数并应用于节理岩体的模拟。根据节理岩体模拟得到应力应变曲线和能量流,验证了Hoek-Brown准则对节理岩体能量参数估算的合理性。     

基于Plesha本构的岩石节理多层结构模型研究

在Dong等工作的基础上[1],研究了基于Plesha本构的岩石节理多层结构模型。模型将节理面分解为不同层次细观结构面,每层结构面代表一级粗糙度,力学响应发生在最底层（基本面）,上层结构面受力性状由其下层结构面平均化得到,依次进行得到节理宏观力学性状。节理破坏由下而上分层次进行,基本面破坏后,其上层结构面转化为基本面,基本面采用Plesha节理模型。模型能模拟弹性变形、滑动变形、磨损、剪断、压碎、分离等作用机理。定义的接触因子与绕流因子能考虑节理接触面积及粗糙度变化对渗流的影响。通过将粗糙度定义为等效起伏角,可以模拟节理循环剪切性状。采用ABAQUS的用户子程序UEL进行了模型验证与参数分析。     

不同连通率断续节理岩体直剪破坏特征

在边坡稳定性评价中,不同形态、连通率及排列方式的岩桥起决定性作用。本文通过开展室内直剪实验并结合声发射特征参数的研究,揭示了不同连通率岩桥和不同法向应力状态下断续节理岩体的破坏规律。结果表明:在直剪条件下,随法向应力及连通率的变化,岩体破坏面呈现“一”、“X”、“锯齿”、“Z”以及复合型破坏,破坏面起伏度较小,且贯通破坏无时间先后性。法向压力一定时,随着断续岩桥连通率的提高,声发射事件累计计数峰值呈线性增长,计数峰值不断趋于增长。在岩桥连通率一定的情况下,随法向应力的增大,声发射事件计数峰值与累计计数在中等法向应力下最大。对断续节理岩桥变形破坏特征的研究,有利于分析节理岩体的力学特性,有助于边坡工程的稳定性评价与预测。