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《重庆大学》 2004年
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岩石类材料粘弹塑性损伤本构模型及其应用

万玲  
【摘要】:流变是岩石材料的重要力学特征,许多工程问题(采矿、石油开采、能源和 放射性核废料的储存、边坡及地下构筑物的稳定性等)都与岩石的流变特性有密 切关系。然而,随着各类岩土工程建设规模的扩大,以及对岩石类材料与工程特 征认识的深入,在描述和处理材料的时间效应及其流变属性方面,尽管取得了重 要的进展,但仍存在许多亟待解决的问题。 本文对盐岩和泥岩试件进行了系统的蠕变试验,根据非经典塑性理论建立了 岩石类材料的粘弹塑性损伤本构模型,发展了相应的数值分析方法。对泥岩和盐 岩在不同温度常规三轴应力状态下的蠕变损伤特性进行了分析。同时对素混凝土、 纤维增强混凝土在复杂加载史下的损伤行为和寿命进行了计算。 在实验方面,为了有效地对岩石进行蠕变试验,自行研制了一套能进行常规 三轴蠕变试验、并能考虑温度影响的岩石三轴蠕变仪。该装置结构简单、操作方 便。可提供 60kN 的轴向压力、80MPa 的围压和 150°C 的最大加热温度。 利用所研制的三轴蠕变仪,对泥岩进行了系统的单轴和三轴蠕变试验,试验 中考虑了轴压σ1 和围压σ3 对蠕变的影响。结果表明,当围压σ3 一定时,轴向应力 σ1 增加,蠕变加快,在稳态蠕变阶段的应变率增大,试件的寿命缩短。而当应力 差?σ =σ1–σ3 保持不变时,围压σ3 增加,蠕变减慢,稳态蠕变阶段的应变率也减小, 试件的寿命增加。 通过对盐岩进行的不同温度和应力水平下的三轴蠕变试验表明,在围压σ3 和 温度 T 不变时, 轴压σ1 对蠕变和蠕变率的影响与泥岩相同。随着温度的增加,蠕 变应变增大,稳态蠕变应变率也相应增大。 研究表明岩石的蠕变特性除与应力水平、温度、载荷的加载方式有关外、还 与岩石结构、湿度、岩石材料本身所具有的粘性性质和赋存条件等因素有关。 在理论方面,根据连续介质力学基本理论,基于含内变量的不可逆热力学和 连续介质损伤力学,通过在不可逆应变和牛顿时间所构成的空间中合理的定义广 义时间、引入四阶各向异性损伤张量,建立了岩石类材料的粘弹塑性损伤本构模 型。该模型能够考虑复杂应力状态下材料的响应特性,各向异性损伤及其损伤的 方向特征,静水压力和温度的影响,基于不同机制的不可逆变形间的相互作用, 劣化规律和失效模式等。能对剩余强度、刚度、剩余寿命等进行分析和预测。重 要的是,所建立的模型不以屈服面的存在为基本前提,但可获得含屈服面的情形 作为其特例;在蠕变变形与塑性变形的描述方面,不采用分离型的方法分别对他 们进行描述,而将两种变形均视为由热激活导致的不可逆变形并在此基础上发展 I WP=6 中文摘要 统一的本构描述,从而更有效地描述两者间的相互作用。 发展了不含屈服面的粘弹塑性损伤本构模型的数值分析方法,对泥岩和盐岩 的蠕变过程进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻和较好。表明所发展的模型 能较好反映应力水平和温度对岩石蠕变特性的影响。计算了损伤变量的演化规律, 得到了与实际相符合的结果。 弹塑性损伤本构模型是所发展本构模型的特殊情形,用它对素混凝土在单轴 循环加载下和三轴复杂加载史下的响应进行了描述,计算结果与实际相符,验证 了模型的正确性。同时对随机分布短纤维增强混凝土在三轴载荷下的响应和在循 环应力下的响应及寿命进行了计算,理论模型计算结果与试验结果都表明,纤维 体积分数增加,损伤速度减缓、材料的承载能力增大、寿命提高。因此模型能较 好反映混凝土在复杂加载条件下的基本特征。
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