岩石类材料变形破坏的热力学机制研究

针对岩石类材料呈现的有别于经典塑性理论预测的变形破坏特征，如非关联塑性流动、剪涨等，本项目提出并将论证一个新的学术思想："岩石材料变形破坏的基本特征源于内在的热力学有旋熵流"。拟在Rice的基于内变量的多尺度非线性非平衡态热力学理论框架"正则结构"内引入有旋熵流，包括：①以非保守系统的拉格郎日力学或哈密顿力学改造正则结构；② 从Morse理论出发探讨角点塑性流动的特征；③ 借鉴流体力学处理湍流的模式来处理有旋熵流。最终从该框架中导出新一代的岩土塑性力学理论框架和实用模型。开展基于PFC的岩石变形破坏细观数值模拟和基于SEM、CT的细观物理试验。发展波尔兹曼统计熵理论，从熵流的角度整理分析细观数值模拟和物理试验成果，研究提炼类似雷诺数的无量纲数以刻画热力学熵流流态变化转涙点。理论分析、数值模拟、物理实验三类研究方法互相借鉴、交叉、比对，最终建立新一代的岩土塑性力学理论框架和模型。

材料的本构方程包括塑性本构方程，一般需要由两个初始函数，即自由能函数和耗散势函数（或流动势函数）确定。本研究提出只需要自由能函数并结合热力学平衡条件便能直接导出关联流动法则；与时间无关的塑性变形行为可以由在自由能函数非退化临界点处的Hessian矩阵决定。因此证明了仅需要一个势函数便能表征与时间无关塑性变形。岩土材料的塑性变形往往表现为非关联流动的特性，通常认为基于“正则结构”的Rice热力学理论不能描述岩土材料的非关联流动特性，证明了如果存在自由能泛函，在Rice正则结构框架下也能描述材料的非关联流动特性。如果存在自由能泛函，内变量的热力学共轭力将不再是保守力。此时，热力学共轭力不能由自由能函数直接导出，可以采用Darbox理论进行构建，因此需要多个初始函数，由此也指出了材料的非关联流动实际对应多流动势的热力学过程。不仅如此，在材料系统中可能存在多个平衡机制来满足热力学平衡条件（热力学流和热力学力均为0），因此可能涉及到混沌与分叉问题。此项研究对本项目的贡献在于证明了材料非关联流动塑性变形是多势区的热力学过程，这对完善有旋区域多势理论奠定了基础。.岩石变形破坏对应的热力学过程是在一个多势、有旋流动范围中。除了塑性破坏以外，与时间相关的蠕变破坏也是岩石工程中比较常见变形破坏形式，因此，本项目将研究范围拓展至岩石蠕变破坏过程的研究，为此调研了大量关于岩石蠕变破坏的文献，基于实验室最新的“三轴流变试验机”开展材料流变试验和破坏试验，用以验证理论的正确性。构建适用于岩石材料的蠕变模型，建立内变量演化方程，并在此基础上研究蠕变各阶段对应的热力学过程和热力学状态。蠕变模型能很好地描述材料蠕变的各个阶段也说明构建的内变量演化方程具有一定的合理性。蠕变模型可以描述岩石材料蠕变过程中黏弹性变形和与损伤耦合的黏塑性变形过程。研究表明，材料黏弹性变形对应一个逐渐接近不平衡态的热力学过程，即黏弹性变形是一个热力学驰豫过程，该过程中材料系统的能量耗散率随时间逐渐减小。研究也表明，在整个蠕变过程中热力学流也从单势、无旋流逐渐变为多势、有旋流，同时表征热力学状态的特征矩阵也由负定对称阵，变为对称半负定矩阵，最后称为非对称矩阵，即特征矩阵发生“对称破缺”。