基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型

作     者：邓乃夫 乔兰 刘建 张庆龙 李庆文 DENG Naifu;QIAO Lan;LIU Jian;ZHANG Qingong;LI Qingwen

作者机构：北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 

出 版 物：《中南大学学报（自然科学版）》 (Journal of Central South University:Science and Technology)

年 卷 期：2024年第55卷第2期

页      面：677-689页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0701[理学-数学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52374113,52274107) 中央高校优秀青年团队培育项目(FRF-EYIT-23-01) 北京市科技新星计划项目(20230484242) 

主　　题：损伤本构模型 裂隙演化 微分动力学方程 损伤力学 多目标优化 

摘      要：为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系,运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程,并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式,实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势,反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律,符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。随后,以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量,精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度,并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。最后,基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数,完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解,进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。研究结果表明:在煤岩及炭质泥岩的实例分析中,所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律,模型仿真结果与试验结果基本吻合。