准脆性岩石各向异性水力耦合时效损伤多尺度本构模型研究

Key rock engineering problems (e.g. hydraulic engineering, highly radioactive waste disposals) largely involve time-dependent inelastic deformation and damage evolution of host rocks within poromechanical coupling context. Quasi-brittle rocks (granite, marble, sandstone, etc.) can be treated as heterogeneous materials composed of microcracks and a matrix, and microcracks provide the main place for unilateral contacts, hydromechancal coupling, damage-friction coupling as well as time-dependent material damage and deformation. By properly accounting for microstructure characteristics and local mechanical properties of rocks, and by combining the linear homogenization approach and the thermodynamic framework of irreversible processes, this project aims to develop an anisotropic time-dependent poromechanical damage model by using an upscaling method. The main research issues include: (1) determine theoretically the free energy of the cracks-matrix system under pore pressure, from which are derived the state equations associated with the internal variables (local inelastic strain and damage), propose unilateral damage criterion and friction criterion in terms of local stress, elucidate the influence of pore pressure on nonlinear mechanical behaviors such as evolution laws, material response via stress-strain curves, material strength, etc.; (2) On the basis of the subcritical cracking mechanism, we will establish a unified constitutive model for both simultaneous damage and time-dependent damage; (3) develop efficient numerical algorithms for dealing with anisotropic strongly coupling processes envisaged in this project;（4）validate the proposed constitutive model by comparing numerical predictions with experimental data from laboratory tests performed in this project on two typical quasi-brittle rocks. Finally, as a first stage of application, the model will be applied to stability and durability analyses of an underground laboratory structure.

水利水电、高放废物地质处置等大型岩体工程广泛涉及岩石在水力耦合条件下的时效变形与损伤行为。准脆性岩石被认为是裂纹和基质构成的非均质材料，裂纹是单边接触、水力耦合、损伤摩擦耦合，以及时效损伤和非弹性变形的主要场所。本项目将充分考虑岩石材料的细观结构特征和局部力学特性，结合线性均匀化方法和不可逆热力学理论，开展各向异性水力耦合时效损伤多尺度本构理论研究，主要内容包括: （1）确定水力耦合条件下的裂纹-基质系统的自由能表达式，并推导出与内变量相关联的状态方程，提出单边损伤演化准则和滑动摩擦准则，探讨孔隙水压力对岩石非线性力学特性（应力应变曲线、强度等）的影响规律；（2）基于亚临界裂隙扩机理，建立能够模拟各向异性瞬时损伤和时效损伤的统一本构模型；（3）各向异性耦合模型的精确解研究和高效数值程序研制；（4）针对两种典型岩石开展室内试验，进行模型验证和数值模拟，最后将模型用于地下实验室长期稳定性分析。

岩体是水利水电、能源资源开发、交通运输等工程建设的主要载体。重大工程建设正面临岩石复杂力学特性及极端赋存环境的双重挑战，比如我国水电工程和交通工程建设正向西南高海拔寒区迈进，深部能源资源开发利用加快步伐，这些都对岩石力学学科的发展提出了更高的要求。.岩石是一种天然多相非均质材料，其中的微裂隙、微空洞、晶体位错等原生缺陷及其演化发展是引起材料非线性力学行为和物理特性改变的主要因素，其中裂隙及其扩展是引起力学响应非线性、衍生各向异性、围压效应、体积膨胀、压拉强度不对称、渗透性和热传导特性改变的主要原因。如何充分认识多场耦合环境下的岩石多尺度力学行为，构建反映岩石细观结构和多场耦合特性的理性力学本构关系，建立岩石破坏评判准则和参数跨尺度联系，是岩石力学与工程学科的重大科学挑战。.与传统研究手段相比，多尺度方法具有明显优势，一是能够考虑细观结构（组份）、局部物理力学特性和细观力学机理，体现材料特征；二是合理简化和假设下的严格数学推导，体现理性力学特色；三是建立材料/模型参数之间的跨尺度联系，从而减少待定参数的数量，体现易用特点。.本项目主要开展了三个方面研究：岩石水力耦合试验试验，跨尺度分析理论和理性力学模型，以及基于细观力学机制的岩石强度理论和破坏评判准则。围绕上述问题，申请人以岩石裂隙扩展问题为核心，以非均质材料均匀化理论为基础，以岩石基质-微裂隙构成的特征单元体为主要研究对象，聚焦多场耦合条件下的塑性损伤耦合行为，重点描述衍生材料各向异性和单边效应，形成了一套较为完整的岩石力学跨尺度分析理论与方法研究体系。该体系具有目标导向明确、理论框架统一、论证推导严密、解决问题广泛等特点，取得了一系列创新研究成果，为岩体工程精细化数值分析提供了先进的材料模型和稳定性评判准则，相关成果已用于大型岩体工程硐室（群）优化设计和长期稳定性分析。