岩石细观统计损伤数值模型及在地下工程中的应用

摘要

随着岩石力学的发展，人们逐渐认识到，岩石的物理力学性质不仅有别于其它工程材料，而且与土或混凝土材料也存在较明显的差异。近年来，损伤力学的发展为岩石材料的非弹性性质和破坏机理给出了一种可资借鉴的解释模式。人们己习惯称岩石为有初始损伤的材料，并采用某些特征参数来合理地描述岩石内部缺陷的分布状态。由于岩石材料的特殊性，即使在弹性状态下，也属于非线性问题。很多研究表明：岩石的非弹性变形就是由于其内部大量微裂纹的产生和发展造成的。目前国际上已经开始从岩石的细观尺度出发来研究其宏观的损伤与断裂问题。随着电子计算机的飞速发展和计算技术的逐步完善，对岩石强度理论和本构关系提出了更高的要求，以便更真实地描述岩石力学特征，求解复杂的工程岩石力学问题。 本文基于用统计理论中的Weibull分布来描述岩石微元的强度分布所建立的数学模型的基础上，利用数学上求全微分的方法确定了模型中的Weibull分布参数，并分析了 Weibull分布参数对岩石细观统计损伤模型的影响，将该模型得到的应力一应变曲线与岩石试验曲线进行了比较，验证了模型的合理性。在此基础上，将岩石微元的 Drucker-Prager。强度准则拓换为统一强度理论，建立了基于统一强度理论下的岩石细观统计损伤模型，拓展了该模型的应用范围。此外，在有限元软件ABAQUS二次开发的平台上，将统计损伤本构关系嵌入到ABAQUS中，并采用文中建立的本构关系对岩石材料进行数值模拟。为验证其可行性，对岩石试样进行了单轴压缩和三轴压缩的数值模拟研究，结果表明具有较高的精度。最后结合某隧洞工程实例，用文中模型对岩体中的隧道开挖过程进行了数值模拟，得到了较好的效果，验证了该数值模拟方法的合理性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2岩石损伤细观力学的研究方法

1.3岩石细观损伤数值模型的研究现状

1.4岩石损伤破坏过程中的能量分析

1.5本文的主要工作

第二章岩石损伤演化的细观特征破坏机理

2.1岩石损伤变量的定义

2.2岩石损伤演化的细观特征

2.3岩石细观损伤破坏的机理

2.4本章小结

第三章岩石细观统计损伤数值模型

3.1数值模型建立的基本思路

3.2岩石细观统计损伤模型的建立

3.3岩石细观统计损伤模型的进一步推广

3.4岩石细观统计损伤模型中若干问题的探讨

3.5本章小结

第四章统一强度理论下的岩石细观统计损伤模型

4.1统一强度理论

4.2统一强度理论下岩石统计损伤模型的建立

4.3参数对模型的影响

4.4本章小结

第五章岩石细观统计损伤数值模型的应用

5.1前言

5.2有限元基本原理

5.3考虑损伤特征的有限元方法

5.4ABAQUS的数值模拟

5.5算例分析

5.6工程实例

5.7本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢