基于三维格里菲斯强度准则的岩石损伤本构研究

作     者：陈友才 

作者单位：安徽理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：乔成

授予年度：2022年

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

主      题：岩石损伤 本构模型 格里菲斯强度准则 Weibull分布 损伤修正系数 残余强度 

摘      要：在岩土工程中,大多数的岩石材料都处于复杂多变的应力状态下,表现出显著的非线性力学特性。为了保证岩土工程的稳定性和安全性,研究不同应力条件下的岩石变形过程和破坏机制,建立成熟的、适用的岩石损伤本构模型和损伤演化模型是十分重要的。鉴于此,本文将细观损伤力学、统计概率学以及连续介质损伤力学理论相互联系起来,采用三维格里菲斯强度准则作为度量岩石微元强度的新标准,假定岩石微元强度分布服从两参数的Weibull概率函数,引入损伤修正系数α,建立了适用于单轴、三轴以及其它各种复杂应力场中的岩石损伤演化模型和统计损伤本构模型,并采用回归法和峰值点法来确定分布参数的取值。在此基础上,通过单轴压缩、单轴循环加-卸载以及常规三轴压缩试验的实测数据,分析了岩石在不同应力条件下的变形规律与强度特征,讨论了岩石损伤变量D与应变和应力之间的联系,验证了理论统计损伤模型在试验曲线各个阶段的有效性和正确性。此外,还针对岩石单轴循环加-卸载和三轴压缩的两种工况,就分布参数和损伤修正系数对本构模型曲线形态的影响,进行了敏感性分析和研究,阐明了分布参数的数学及物理意义。最后,基于分布参数与峰值应变和围压之间的规律,对分布参数进行合理的修正。研究结果表明:(1)岩石材料的损伤是逐步积累且不可恢复的,其宏观破坏是由损伤积累所导致的。(2)在岩石单轴压缩条件下,统计损伤本构模型与试验数据整体上吻合良好,并且在单轴循环加-卸载下做进一步研究,其结果表明每一等级的加载和卸载理论曲线与试验数据的相关系数R都在0.98913以上,证明了本构模型的合理性与可靠性。(3)在不同围压的三轴压缩条件下,通过统计损伤本构模型理论曲线与试验曲线对比,发现两者的相关性系数R均在0.9375以上,说明了该本构模型适用于三向应力作用下的工程现状。(4)通过对岩石单轴循环加-卸载和三轴压缩条件下本构模型参数的研究发现,分布参数反映了岩石的变形特性,其数值的大小对理论曲线的形态该改变有直接影响。(5)损伤修正系数α引入,使推导的岩石统计损伤本构模型更符合真实的岩石破坏规律。较好地反映岩石材料的各向异性和不均匀性,以及岩石破坏后的残余强度。(6)论文通过将损伤力学与断裂强度理论结合,建立的三维格里菲斯准则的岩石统计损伤本构模型具有参数形式简单、物理意义明确、与工程实际情况更相符等优点,为岩石材料的损伤演化与损伤本构模型的研究提供一种新的角度。图[41]表[4]参[85]