基于内部自由度的岩土塑性理论研究

In order to enhance the simulation capability of failure processes of geotechnical structures, flow rules with multiple yield surfaces should be incorporated into elasto-plastic models, but the dependent hardening rule is an unsolved crux. In this paper, the time-independent plasticity is related to nonequlibrium thermodynamics by J.R. Rice based on thermodynamic equilibrium. It is shown that vertexes on yield surface are caused by the transition from potential state to rotational state of material system. In this transition, the free energy as a total differential reduces to a differential 1-form with some internal freedom, and the number of multiple yield surfaces is related to the internal freedom, which provides a possible way to solve the crux. It is proposed in this project to develop plasticity framework and model with internal freedom, which will be elaborated and calibrated by theoretical analysis, numerical analysis based on PFC, mesoscale test of rocks, test based on soft materials, and geomechanical model test for high arch dams. Thermodynamic mechanism leading to vertexes on yield surface, and dependent hardening rule for multiple yield surfaces, etc., are also expected to be solved in this project.

为提高岩土塑性力学模型破坏仿真的能力，需要考虑多屈服面, 但其相关硬化规律（dependent hardening）在塑性力学里一直没有得到很好的解决。申请者通过热力学平衡的概念将率无关塑性力学与非平衡热力学联系起来，指出屈服面角点的形成是材料系统从有势状态发展到有旋状态的结果，表现为自由能函数从全微分退化为微分形式（1-form），角点屈服面个数与微分形式的内部自由度有关，这为解决相关硬化规律开辟了一条新路。拟在此基础上，通过理论分析、基于颗粒流分析的数值分析、基于软物质材料的试验，发展基于内部自由度的岩土塑性力学框架和实用模型，并在高拱坝地质力学模型破坏试验上研制实用模型对破坏仿真的有效性。本研究同时也可以解决包括屈服面角点形成的过程的热力学机制、基于热力学基础的多屈服面的相关硬化规律和机制、基于热力学内部自由度的塑性力学框架等关键科学问题。

按照原计划执行，并将岩土塑性理论拓展到孔隙塑性理论，对当前坝工界高度关注的高拱坝蓄水诱发的谷幅变形现象开展了深入研究。围绕基于热力学的岩土塑性理论这一主题，在理论分析、材料试验及数值模拟等方面开展了一系列研究，取得了较为丰硕的成果，全面达到了预定的目标。突出进展包括首次建立了基于不可逆热力学的非弹性结构动力问题的Hamilton原理，基于颗粒相似材料的精细粘滑机理实验研究，粘弹性-粘塑性-粘性损伤本构模型及其在水力劈裂和盐岩储庫变形稳定中的应用，孔隙塑性理论及在高拱坝蓄水诱发的谷幅变形的应用，等等。项目成果已经在锦屏一级、松塔、白鹤滩、孟底沟等拱坝整体稳定性评价，岩盐密集储气库，大同煤矿石炭系厚煤层坚硬顶板等国家重大岩石工程中得到应用。.研究期间，项目已发表SCI检索论文6篇，EI检索论文10篇，发表国际/国内大会特邀报告6次；毕业博士生8人，其中4人获国家奖学金；出站博士后1人，获得中国大坝工程学会第八届汪闻韶院士青年优秀论文奖。项目负责人杨强获得国家科技进步二等奖一项，省部级科技进步一等奖三项，获得中国力学学会首届黄文熙-陈宗基岩土力学奖的岩石力学成就奖，并当选为国际岩石力学与岩石工程学会（ISRM）副主席，获邀在国际水动力滑坡研讨会上做45分钟大会报告，并做第三届“谷德振讲座”特邀报告。