巖石變形特性與變形全過程統(tǒng)計損傷模擬方法研究.pdf

1、巖石作為一種含有缺陷的典型脆性材料，在各種復雜應力狀態(tài)下所體現的本構關系是一個復雜的基礎理論問題。尤其在巖體工程的運營階段，巖石的變形特性將直接影響工程的正常使用。為此，本文綜合運用連續(xù)損傷理論、細觀損傷力學與概率統(tǒng)計理論，在探討巖石損傷模型的基礎上，考慮各種荷載狀態(tài)，并對損傷變量合理演化，得到模擬各種復雜應力狀態(tài)的巖石損傷本構模型，進而在巖體工程中進行應用。
　　 首先，在基于Lemaitre應變等價性理論的巖石損傷模型基礎上

2、，通過探討巖石應變軟化變形過程中損傷變量或損傷因子的變化規(guī)律，并結合巖石應變軟化變形全過程特征及其損傷機理的研究，探討了建立巖石損傷演化模型時考慮損傷閥值影響的必要性。在對現有巖石微元強度度量方法研究的基礎上，提出了可考慮損傷閥值影響的新型巖石微元強度度量方法，并引進統(tǒng)計損傷理論，建立了可考慮損傷閥值影響的巖石統(tǒng)計損傷演化模型，該模型不僅能反映損傷閥值的影響，且能反映巖石損傷程度受應力狀態(tài)影響和巖石損傷在不同應力狀態(tài)下?lián)p傷起始點不同的特

3、性。
　　 其次，巖石的體積變化特征是巖石力學研究的重要內容之一。針對現有巖石損傷模型的局限性與不足，將應力作用下的巖石抽象為空隙、損傷與未損傷材料三部分，以空隙率反映巖石體積或空隙的變化，以損傷變量或損傷因子反映巖石力學性態(tài)的改變程度，通過對各部分材料的微觀受力及其與宏觀應力和應變的關系進行分析，建立出可反映巖石變形過程中體積或空隙變化特性的新型巖石損傷模型，進而建立出能反映巖石體積變化特征的統(tǒng)計損傷本構模型，并提出了其參數確

4、定方法。在該本構模型的基礎上，通過探討巖石脆延特性及其相互轉化的力學機理與特點，利用求解多元函數極值的分析方法，建立巖石脆延特性相互轉化條件的確定方法，該方法能同時反映巖石所受荷載狀態(tài)與本身力學性質對巖石脆延特性及其相互轉化特征的綜合影響，完善了巖石本構模型的研究內容。
　　 再次，巖石應變軟化變形破壞全過程模擬屬于巖石力學研究的一個重要分支。在分析巖石應變軟化變形全過程不同階段變形特征基礎上，針對現有巖石損傷模型難以反映巖石破

5、壞后仍具殘余強度特性的不足，假設受載巖石可抽象為損傷和未損傷兩部分材料組成，其所受軸向荷載由這兩部分材料共同承擔，且損傷部分材料所受應力為殘余強度，建立出可反映巖石破壞后仍具殘余強度特征的新型損傷模型。然后，在此基礎上建立出可反映巖石變形全過程特征的巖石統(tǒng)計損傷演化模型，進而建立出可模擬巖石應變軟化變形全過程的損傷統(tǒng)計本構模型，并提出了其模型參數的確定方法。通過實例驗證表明該模型能較好地反映巖石峰后殘余強度階段變形特征。
　　

6、最后，為完善巖石變形模擬過程的研究內容，對巖石的動態(tài)變形過程模擬進行了研究。針對巖石動態(tài)變形特點，引進Kelvin模型的研究思路與方法，將巖石變形過程中的動態(tài)應力視為靜態(tài)應力分量與動態(tài)應力分量的疊加，分別以粘性元件和非線性元件模擬巖石單元動態(tài)應力分量與靜態(tài)應力分量，并建立出巖石動態(tài)應力的力學分析模型，在此研究基礎上，利用粘性元件的力學特性和統(tǒng)計損傷理論分別建立出粘性元件和非線性元件變形過程模擬方法，進而得到巖石三軸動態(tài)變形過程模擬方法，