基于細(xì)觀力學(xué)的脆性巖石損傷-滲流耦合本構(gòu)模型研究.pdf

1、巖石的應(yīng)力-滲流耦合問(wèn)題是巖石力學(xué)中研究巖石與所賦存環(huán)境之間相互影響關(guān)系的一個(gè)重要分支。近年來(lái)，眾多學(xué)者在巖石應(yīng)力-滲流耦合機(jī)理、概念模型、數(shù)值方法等方面取得了眾多研究成果，但仍存在諸多問(wèn)題，目前仍是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于巖石應(yīng)力-滲流的耦合機(jī)理和耦合模型，目前使用較多的仍是各種唯象的經(jīng)驗(yàn)公式，不僅適用性差，而且力學(xué)概念、參數(shù)含義不清晰，缺乏理論上的嚴(yán)密性。 本文旨在基于細(xì)觀力學(xué)理論和方法，從巖石細(xì)觀微裂紋在荷載作用下的各

2、種變化著手，通過(guò)研究細(xì)觀尺度下巖石微裂紋的細(xì)觀應(yīng)力變形規(guī)律，借助局部化和均勻化的數(shù)學(xué)工具，建立基于細(xì)觀力學(xué)的脆性巖石各項(xiàng)異性損傷本構(gòu)模型和損傷-滲流耦合本構(gòu)模型，并通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)和應(yīng)力-變形過(guò)程中的滲透性試驗(yàn)對(duì)提出的模型進(jìn)行驗(yàn)證。論文的主要工作與研究成果歸納如下： （1）較為系統(tǒng)地總結(jié)了巖體應(yīng)力-滲流耦合問(wèn)題各方面的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，包括巖石應(yīng)力-滲流耦合的機(jī)理、概念模型、數(shù)值方法等子問(wèn)題，指出了應(yīng)力-滲流耦合研究中的不足之處，

3、并對(duì)巖石細(xì)觀損傷力學(xué)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。 （2）基于細(xì)觀力學(xué)理論及方法，首先建立了含微裂紋脆性巖石細(xì)觀損傷本構(gòu)模型的基本假定和宏觀-細(xì)觀概念模型，并建立了細(xì)觀尺度上微裂紋的位移不連續(xù)間斷與局部應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系；通過(guò)能量原理，推導(dǎo)出含微裂紋脆性巖石的宏雙自由變形余能；將荷載下的微裂紋按張開(kāi)裂紋和閉合裂紋分成兩類(lèi)，分別研究了兩類(lèi)微裂紋在應(yīng)力增量作用下摩擦滑移及裂紋擴(kuò)展的準(zhǔn)則和演化方程，并基于能

4、量原理分別推導(dǎo)了含單組張開(kāi)或閉合微裂紋的巖石等效均勻柔度（或切線(xiàn)柔度）四階張量；通過(guò)33個(gè)積分方向的單位球面積分，建立了基于細(xì)觀力學(xué)的脆性巖石宏觀各向異性損傷本構(gòu)模型。對(duì)模型參數(shù)的物理含義進(jìn)行了分析，編制了相關(guān)程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)模型的各主要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。 （3）從細(xì)觀尺度出發(fā)，建立了脆性巖石滲流的基本假設(shè)和概念模型；在已建立的基于細(xì)觀力學(xué)的損傷本構(gòu)模型基礎(chǔ)上，將損傷本構(gòu)模型中計(jì)算得到的細(xì)觀尺度損傷內(nèi)變量——微裂

5、紋密度和剪切滑移量作為中間量，引入損傷-滲流耦合本構(gòu)模型的推導(dǎo)中，研究在荷載作用下?lián)p傷內(nèi)變量的演化引起的脆性巖石細(xì)觀微裂紋開(kāi)度、密度及連通度等影響滲流諸要素的演化規(guī)律，最終通過(guò)均勻化方法建立了含微裂紋脆性巖石的等效多孔介質(zhì)滲透張量隨應(yīng)力-損傷的演化規(guī)律。對(duì)滲透性影響最大的因素為微裂紋等效開(kāi)度，對(duì)該要素進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的研究。最后對(duì)建立的基于細(xì)觀力學(xué)的損傷-滲流耦合本構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬和參數(shù)分析。 （4）為了對(duì)提出的損傷本構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)

6、證，在MTS815.02巖石力學(xué)侍服試驗(yàn)機(jī)上對(duì)白鶴灘水電站右岸高邊坡玄武巖進(jìn)行了常規(guī)三軸試驗(yàn)，在對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行定性分析的基礎(chǔ)上，用本文建立的基于細(xì)觀力學(xué)的脆性巖石損傷本構(gòu)模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型，又從其他參考文獻(xiàn)中選取了若干有代表性的脆性巖石三軸試驗(yàn)（包括花崗巖、灰?guī)r、砂巖等）結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，本文提出的損傷本構(gòu)模型對(duì)不同巖性、不同圍壓條件下的脆性巖石三軸試驗(yàn)結(jié)果都能較好地進(jìn)行模擬，具有良好的適應(yīng)性