基于橢圓形微裂紋變形與擴(kuò)展的準(zhǔn)脆性巖石細(xì)觀損傷-滲流耦合本構(gòu)模型.pdf

1、準(zhǔn)脆性巖石材料的微缺陷主要有微裂紋和微孔洞,在巖石材料中,微裂紋形核和擴(kuò)展是材料損傷、失效的主要機(jī)制。損傷在影響材料力學(xué)特性的同時,會對材料的滲透性產(chǎn)生影響。當(dāng)壓力水(流體)滲透到微裂紋中時,可在微裂紋上產(chǎn)生附加張開應(yīng)力而加劇微裂紋的擴(kuò)展,加速材料的損傷演化。在許多巖石工程問題中,滲流-應(yīng)力耦合作用下材料的損傷及其發(fā)展已成為必須考慮的重要因素?；谖⑷毕莸淖冃渭把莼募?xì)觀損傷-滲流耦合模型,能夠較真實(shí)地描述材料的損傷和滲透行為,受到了人

2、們的普遍關(guān)注。一般地,材料內(nèi)部的微裂紋可采用橢圓形微裂紋進(jìn)行描述,以較真實(shí)地反映微裂紋系統(tǒng)的細(xì)觀特性。本文基于細(xì)觀損傷力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法,考慮材料內(nèi)部橢圓形微裂紋的變形、擴(kuò)展、摩擦滑移及偏折擴(kuò)展對材料變形和滲透性的影響,采用Taylor方法建立了計及微裂紋內(nèi)水壓力的準(zhǔn)脆性巖石材料三維細(xì)觀損傷-滲流耦合模型。
　　 文中采用深埋橢圓形微裂紋的代表性單元(RVE),在遠(yuǎn)場應(yīng)力作用下,根據(jù)微裂紋變形和擴(kuò)展規(guī)律的不同,將微裂紋受力狀態(tài)分為

3、拉剪和壓剪,分別研究具有任意空間取向的單個微裂紋在裂隙水壓力和遠(yuǎn)場應(yīng)力下的附加柔度張量,考慮微裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展以及圍壓對微裂紋偏折擴(kuò)展的影響,采用Taylor方法并引入概率密度函數(shù),分別建立準(zhǔn)脆性巖石在三軸拉應(yīng)力和三軸壓應(yīng)力下的三維細(xì)觀損傷本構(gòu)模型。
　　 文中假設(shè)準(zhǔn)脆性巖石的滲透性由巖石基體材料(多孔介質(zhì))的滲透率和微裂紋系統(tǒng)的附加滲透率兩部分組成。拉-剪應(yīng)力作用下,微裂紋處于張開狀態(tài),認(rèn)為裂紋系統(tǒng)的附加滲透性變化取決于微裂紋法

4、向開度的變化；壓-剪應(yīng)力作用下,認(rèn)為裂紋系統(tǒng)的附加滲透性變化取決于偏折裂紋法向開度的變化。引入修正的立方定理,展開微裂紋變形、擴(kuò)展過程中滲透通道和連通度的討論,得到準(zhǔn)脆性巖石的滲透張量表達(dá)式。
　　 在前面建立的三軸拉應(yīng)力與三軸壓應(yīng)力下的細(xì)觀損傷-滲流耦合模型基礎(chǔ)上,建立任意載荷下的三維細(xì)觀損傷-滲流耦合模型,將本文模型與商用有限元軟件ABAQUS相結(jié)合,編寫了用戶自定義材料子程序UMAT。以湖北云應(yīng)鹽礦擬建天然氣儲備庫為例,對