岩石材料各向异性弹塑性损伤耦合模型与数值模拟研究

岩质边坡、隧道和矿山巷道等工程岩体内富含节理和裂隙，非均质、多裂隙和各向异性是这些岩石类介质的重要特性。大量的岩石材料特性实验已对包括强度和变形在内的各向异性特征进行了分析，而岩石本构理论是建立岩石力学物理模拟、数值模拟与计算分析的基础，是进行岩石力学研究的核心问题，但长期以来对岩石各向异性本构关系与屈服准则的研究始终没有形成完整严密的理论体系，尽管获得的研究成果已经应用实际工程，然而尚存在着许多缺点和限制。因此，综合已有的岩石各向异性弹塑性理论和能够描述反映岩石破坏软化特性的岩石损伤力学，发展新的岩石各向异性弹塑性损伤耦合本构关系和破坏准则，以及开发相应的数值模拟计算程序，成为当前岩石力学发展的关键问题和工程的急需。上述问题的深入研究可深刻了解岩石破坏的机理，丰富岩石力学学科内容，又能对实际工程中围岩的稳定性进行分析以便于选择加固治理方案，具有重要的理论和实际意义。

岩石损伤力学已成为分析岩石破坏和稳定性的有效手段。通过对国内外岩石材料各向异性本构模型的相关分类、模型及其工程实例应用的进行研究，从岩石各向异性的机理、宏细观模型，到数值模拟各方面进行了系统总结分析。.在此基础上，采用热力学方法对岩石材料各向异性损伤本构模型进行了推导。沿用常规损伤本构理论的方法，将广义标准材料的能量势函数视为自由能，并着重研究耗散函数。利用提出的本构模型及屈服准则，探讨了各向异性岩石材料屈服面随损伤的演化规律。采用VUMAT子程序对简单各向异性屈服准则分别采用隐式和显式积分的计算效率进行对比。将建立的各向异性岩石材料弹塑性损伤本构关系和屈服准则，编制了显式有限元算法的程序，并基于商用程序ABAQUS进行了二次开发。对不同围压下岩石压缩试验结果进行了数值模拟。.在实验方面，考察了淮南矿业集团谢一矿运输大巷、煤巷等的变形情况以及河北显德旺煤矿巷道的变形情况，收集了相关的工程地质资料、现场提取了岩样；并在室内进行了岩石材料的物理力学性质测量，得到了各层岩样的物理力学参数。此外，还开展了岩样全程破坏过程的室内实验及CT试验，分别对灰岩压缩、拉伸进行了测试，对花岗岩进行了单轴压缩试验，并从能量的角度出发，分析研究了岩石的变形破坏过程，揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性。理论及试验研究表明，在岩石变形破坏过程中，能量起着根本的作用。岩石的失稳破坏就是岩石中能量突然释放的结果。从力学角度而言，岩石的变形破坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程；从热力学上看，这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程，包含能量耗散和能量释放。试验研究也揭示了应力–应变强度不能很好地描述岩石的破坏这一特性，在大体相同的应力–应变曲线下，试件的破坏形式不同，能量释放量完全不同，因此，能量的观点可以更好地描述岩石的变形破坏。.对非饱和岩石各向异性力学行为进行了理论分析、数值模拟与实验验证，在考虑初始的结构各向异性前提下提出了包含湿度的塑性损伤模型。利用该模型，数值模拟并实验验证了不同相对湿度下泥岩单轴压缩、三轴压缩、三轴循环压缩实验下非饱和条件泥岩的力学行为。.以上工作已完成项目的目标和内容。