准脆性材料破裂问题的概率损伤途径研究

利用统计损伤途径研究准脆性材料破裂问题，反映材料特点如体积变化、应变软硬化和破坏后残余强度等，具有重要意义。本项目首先通过准脆性材料三轴实验，探讨其损伤机理及应变软硬化规律，针对基于应变等价性假设的不足，建立能反映体积变化及损伤后具有残余强度的材料损伤模型；接着在探讨损伤阈值影响及材料微元强度度量方法基础上，根据极值统计理论提出微元强度随机分布确定方法，建立反映软硬化变形全过程的统计损伤演化方程，进而建立应变软硬化损伤统计本构模型，并提出损伤统计本构模型参数的优化反演分析方法，从而建立能反映复杂应力状态下材料软硬化变形全过程的模拟方法；最后通过探讨材料应力应变曲线的变化规律，分别建立准脆性材料应变软硬化规律及其转化的条件和强度准则确定的新方法，完善准脆性材料现有本构模型和强度准则。作为应用，利用建立的统计损伤本构模型，对准脆性材料破裂过程的声发射、失稳灾变以及尺寸效应进行理论和数值分析。

项目围绕岩石、混凝土等准脆性材料在受力过程中呈现出的体积变化、应变软化和硬化、破坏后的残余强度等力学行为，利用概率统计途径对整个受力包括破裂过程进行研究。完成的主要工作包括：颗粒材料中粒子的力和位置的相关关系研究、基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型研究、层状盐岩蠕变及其储库稳定性研究、材料破坏后的堆积分选研究、准脆性材料概率统计方法研究等。在颗粒材料力和位置的相关关系的研究中，引入粒子间的力-力相关函数和位置-位置相关函数，研究它们随着材料宏观变形的变化，得出颗粒材料双轴压缩时力网的演化过程，材料系统内的接触力受试件宏观体积和边界条件的影响，有助于解释材料破裂过程的微观机理。通过对准脆性材料统计损伤本构模型的严格数学意义的探讨，给出了一般形式的统计损伤本构方程，并按照D-P准则和M-C准则给出了具体的方程形式及参数确定方法，详细讨论了统计损伤本构方程的适用性，给出了估计初始损伤的方法，分别针对真实应力-应变状态和试验应力-应变状态建立统计损伤本构方程，强化模型的物理概念。我们进行了准脆性材料破裂之后的堆积分选试验研究，试验表明粒径较大的颗粒有向表层运动的趋势，而粒径较小的颗粒有向底层运动的趋势，在试验中利用固相分数和分选系数来刻画堆积体的堆积特点和分选性质。准脆性材料在长期荷载作用下的蠕变性质也得到了研究，并用于数值模拟计算盐穴随外荷载和间距的变化发生的体积改变。在对准脆性材料破裂过程的研究中，对其外加的可变荷载也进行了研究，丰富了概率统计方法，极大地方便了实际应用。