岩石细观断裂机理与多尺度本构模型研究

岩石细观结构由岩石颗粒组成，颗粒界面形成网络结构。这种细观界面网络结构几何特征、界面胶结及颗粒本身力学特性对岩石宏观力学行为具有决定性作用。本项目以这种细观结构为研究对象，拟采用电镜扫描和数字图像处理技术对岩石细观结构信息进行分析和提取，运用分形几何理论对细观颗粒界面网络结构、颗粒分布及细观裂纹扩展拓补结构进行描述；采用虚内键（VIB）理论对岩石细观颗粒和颗粒界面进行力学建模，通过数值模拟方法对颗粒界面胶结特性、颗粒本身力学属性、细观裂纹扩展和细观能量耗散关系进行研究，以明确岩石细观断裂机理，揭示岩石宏观断裂能的细观物理机制，并在此基础上构建岩石宏观本构模型，以期在本构模型中反映细观结构几何和断裂信息，丰富岩石本构物理内涵，加深对岩石力学行为的理解和把握。此研究为揭示岩石宏观力学行为的细观机理具有重要意义，同时也为裂隙岩体、陶瓷、混凝土等材料的多尺度力学模型研究提供了新思路。

岩石断裂一直是岩石工程的一个核心问题。岩石宏观力学属性决定于细观结构。为了探索岩石细观结构与宏观断裂性能之间的关系，并建立多尺度本构模型，进行了理论与试验研究。以大理岩为岩样，通过三点弯曲梁试验测得了宏观断裂能。通过SEM电镜扫描和图像处理技术分析了细观结构图。发现岩石颗粒界面网络结构及颗粒粒度分布都具有很强的分形特征。界面结构分形维数和粒度分布维数分别与宏观断裂能呈很强的二次方关系和线性关系。断裂能随着两种分形维数增加均增大，表明细观颗粒优化级配及界面结构应满足分形维数最大化，以增强宏观断裂韧度。根据细观结构特点，在虚内键(Virtual Internal Bond-VIB)理论基础上对岩石进行了多尺度本构建模。将细观颗粒抽象为几何点，颗粒之间通过VIB相连。为了反映颗粒之间的微裂隙，认为VIB满足两点分布。在裂隙处VIB系数取0，其它取1。通过该方法可以有效地将微裂隙效应引入宏观本构。为了有效地描述细观颗粒之间的压剪破坏机理，引入了微观Mohr-Coulomb准则，基于该准则的宏观本构可以有效地再现岩石三轴抗压强度和破坏特征。为了综合反映颗粒之间的剪切效应，建立了广义Stillinger-Weber势函数，同时考虑了键长和键角作用，使宏观本构方程更能全面地反映细观断裂机理。为了建立适用于大变形断裂分析的宏观本构，以离散键元胞代替岩石代表单元体，建立了离散虚内键(DVIB)本构模型。由颗粒之间相互作用直接导出了键元胞的本构关系(力-位移关系)，从而可以使DVIB直接模拟大位移、大变形岩石断裂破坏问题。为了反映不同细观断裂机理，元胞的本构关系分别基于两体势、广义SW势函数及弹脆性SW势函数，使宏观本构模型能够有效地模拟岩石动态断裂过程。为了解决DVIB的单元尺寸敏感性问题，提出了超弹双线性势函数来描述颗粒之间相互作用，考虑了微观断裂的尺度效应。完善了单元劈裂法(EPM),考虑了劈裂单元的体变形问题和裂尖单元问题。与扩展有限元(XFEM)相比，EPM同样可以在不用重构网格的情况下对裂纹扩展进行模拟，但却没有引入任何额外自由度。其原因在于EPM采用线性外推插值技术而非结点富集(Nodal Enrichment)技术。研究成果揭示岩石细观结构几何特征与宏观断裂能之间的相关性，为岩石断裂破坏分析提供了一套微宏观本构理论与计算方法。