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

1、準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,微裂紋形核和擴展是材料損傷、失效的主要機制。損傷在影響材料力學特性的同時,會對材料的滲透性產(chǎn)生影響。當壓力水(流體)滲透到微裂紋中時,可在微裂紋上產(chǎn)生附加張開應力而加劇微裂紋的擴展,加速材料的損傷演化。在許多巖石工程問題中,滲流-應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募氂^損傷-滲流耦合模型,能夠較真實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行描述,以較真實地反映微裂紋系統(tǒng)的細觀特性。本文基于細觀損傷力學和統(tǒng)計學方法,考慮材料內(nèi)部橢圓形微裂紋的變形、擴展、摩擦滑移及偏折擴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)水壓力的準脆性巖石材料三維細觀損傷-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),在遠場應力作用下,根據(jù)微裂紋變形和擴展規(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場應力下的附加柔度張量,考慮微裂紋的穩(wěn)定擴展以及圍壓對微裂紋偏折擴展的影響,采用Taylor方法并引入概率密度函數(shù),分別建立準脆性巖石在三軸拉應力和三軸壓應力下的三維細觀損傷本構(gòu)模型。
　　 文中假設(shè)準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-剪應力作用下,微裂紋處于張開狀態(tài),認為裂紋系統(tǒng)的附加滲透性變化取決于微裂紋法

4、向開度的變化；壓-剪應力作用下,認為裂紋系統(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、擴展過程中滲透通道和連通度的討論,得到準脆性巖石的滲透張量表達式。
　　 在前面建立的三軸拉應力與三軸壓應力下的細觀損傷-滲流耦合模型基礎(chǔ)上,建立任意載荷下的三維細觀損傷-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。以湖北云應鹽礦擬建天然氣儲備庫為例,對