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岩土类材料的损伤本构模型及其在冲击动力学问题中的应用岩石、混凝土材料等非均匀和各向异性材料的动态本构和冲击损伤破坏规律的研究,是现阶段冲击动力学领域的重要的科学问题之一。
这一科学问题的研究对材料变形损伤破坏的非线性效应、应变率效应的耦合表征提出了新的挑战。
本文首先对岩土材料本构模型的研究概况和进展进行了较为全面、系统的回顾和总结。
对现有的主要的冲击载荷下的动态损伤模型进行了较系统的评述和比较,并对当前的研究热点及趋势作了讨论。
在此基础上,阐述了解决本课题理论问题的思路和方法。
岩土类材料的重要特征是其静压相关塑性屈服行为,本文在静水压相关的广义热粘塑性本构的理论框架下,从修正Drucker公设和应力空间中的屈服函数出发,以材料本构关系的内变量理论为工具,推导并建立了一般形式的,特别是静水压相关的热塑性和热粘塑性增量型本构关系的普适形式,其所得到的本构关系可以包含各种内变量硬（软）化行为、应变率硬（软）化行为、损伤软化、温度软化行为以及相互间的耦合作用。
所给出的本构关系是以应力屈服面为基础的,具有普适性;对任何动态程序都特别适用和方便,易于嵌入到损伤材料的冲击动力学数值计算程序,具有很强的实用性。
考虑到应用的重要性,文中特别给出了若干常用的岩土本构模型的增量本构关系计算公式和流程。
在较详细地论述了分形、分形维数概念及分形测量方法的基础上,将之与岩土材料损伤破坏所具有的分形特点相联系,尝试性地将分形几何引入到岩土材料损伤定义,详细地推导了岩土材料的拉伸状态下损伤演化方程。
其损伤演化方程中,分形维数及其与损伤能量耗散率的关系的引入,不仅解决了损伤的确定问题,减少了损伤模型中的所涉及的岩土特性参数,而且新构造的分形损伤模型可计及岩土的天然损伤影响和应力波传播过程中引起的裂纹扩展效应新进展。
以岩土损伤分形本构模型的研究成果为基础,由岩石损伤分形维数和能量耗散率之间的关系,建立了拉压两种不同状态下的损伤演化方程,并以等效模量理论为基础建立了岩土材料含损伤的动态本构关系;利用本文所建立的含损伤本构模型,采用有限差分方法对砂岩冲击载荷下一维应变波传播问题进行了数值模拟,得到了应力波传播过程中,应力、分形维数、裂纹密度及损伤等量得演化规律,其结果对工程应用有指导意义。
岩石动力学特征、含损伤本构模型及破坏机理研究1. 引言1.1 概述岩石是地壳中最基本的构成要素之一，其在地质工程、矿山开采和岩土工程等领域中具有重要的应用价值。
由于受到多种外界力学和环境条件的作用，岩石在长期的负荷下会发生变形、损伤甚至破坏。
因此，了解岩石的动力学特征以及其本构行为对于推进相关领域的科学研究和工程实践具有重要意义。
1.2 文章结构本文主要围绕岩石动力学特征、含损伤本构模型以及破坏机理展开，结构包括五个主要部分。
引言部分旨在介绍文章的背景和目标，并概括性地提及每个章节的内容。
第二部分将重点讨论岩石的力学特性、动态响应以及常用的实验与模拟方法。
第三部分将探讨含损伤本构模型，并介绍不同理论基础下引入损伤概念建立的本构模型，并对参考文献及其应用情况进行综合分析。
第四部分将深入研究岩石的破坏机理，包括对岩石破坏过程的分析、破坏预测与评估方法的探讨，并通过相关案例进行实例展示。
最后，第五部分将总结全文，并对该领域的进展和局限性进行评价，同时展望未来发展方向和可能遇到的挑战。
1.3 目的本文旨在系统地探讨岩石动力学特征、含损伤本构模型以及破坏机理的研究进展。
通过对国内外相关文献进行综合分析和总结，明确目前岩石动力学及其相关领域存在的问题和挑战，并提出未来发展方向。
通过本文的撰写，期望为岩石工程领域的科学研究和工程实践提供参考依据，促进该领域的进一步发展。
2. 岩石动力学特征研究：2.1 岩石的力学特性：岩石是一种复杂的多相介质，其力学特性对于岩石工程及地质灾害评估至关重要。
岩石的力学特性包括弹性模量、抗压强度、剪切强度以及岩石的变形行为等。
弹性模量是指岩石在受到外界作用力时产生的应力与应变之间的关系，反映了岩石的刚性；抗压强度则表示了岩石能够承受的最大压缩应力；剪切强度是指在试验条件下，岩石开始发生剪切失稳断裂之前所能承受的最大剪应力。
此外，岩石还具有很强的非线性行为。
当外部载荷增加到一定程度时，即会导致岩石发生塑性变形甚至失稳断裂。
岩石材料本构模型建立方法一、岩石本构模型的定义岩石本构关系是指岩石在外力作用下应力或应力速率与其应变或应变速率的关系。
岩石变形性质为弹塑性或粘弹塑性变形，变形性质主要通过本构关系来反映，本构关系，即研究弹塑性或粘弹塑性本构关系。
岩石是一种非均匀的各向异性的材料，内含微裂纹，有时还有宏观的缺陷如裂纹、空穴、甚至节理等。
对这些缺陷存在且材料对缺陷敏感时往往容易发生事故。
脆性材料不同于韧性材料，对缺陷十分敏感。
由于岩石结构非均质和非连续的复杂性，到目前为止，还没有一个统一成熟的岩石力学本构关系。
研究岩石本构关系的方法，概括起来主要有以下两种：（1）唯象学方法①用实验或断裂理论研究岩石的破坏准则。
其基本点是假设在强度极限以前岩石本构关系可以近似用线性关系描述；②塑性力学，流变力学及损伤力学方法。
塑性力学有经典和广义塑性力学两部分。
经典塑性力学理论主要适用于金属材料，广义塑性理论适用于岩石材料。
内时理论和流变力学在描述岩石时效方面的特性中发挥重要作用。
损伤力学是以微观裂纹为出发点来深入研究介质的力学形态，及基础是内变量理论。
（2）物理力学机理方面岩石在初始状态下呈现微观缺陷，在本构理论中必须考虑其影响。
依据一定的细观或微观力学机理，建立细观或微观力学模型，并借助于一定的宏观力学方法以建立宏观本构关系。
建立岩石本构关系一般通过两个途径：①利用岩石单轴或三轴试验获得的应力应变曲线，通过数理统计的回归方法建立本构方程；②在实验观察的基础上，提出某种基本假设，从而建立一个力学模型，并推导出相应的本构方程。
二、岩石的本构关系分类本构关系分类以下三类：①弹性本构关系：线性弹性、非线性弹性本构关系。
②弹塑性本构关系：各向同性、各向异性本构关系。
③流变本构关系：岩石产生流变时的本构关系。
流变性是指如果外界条件不变，应变或应力随时间而变化的性质。
2.1 岩石弹性本构关系1. 平面弹性本构关系2. 空间问题弹性本构关系2.2 岩石塑性本构关系塑性状态时，应力-应变关系是多值的，取决于材料性质和加-卸载历史。
冻融-荷载作用下含孔隙岩石的损伤本构模型随着我国经济建设的发展及“一路一带”战略的实施,寒区工程建设的数量及规模在不断加大,冻融灾害将是影响寒区工程建设的首要问题,因此,研究冻融条件下受荷岩石的损伤特性和破坏机理,对保障工程建设的安全性具有重要的理论及工程意义。
岩石作为地质作用下形成的多种矿物颗粒的集合体,其颗粒间必然存在孔隙。
受外界因素的作用,颗粒碎裂及内部孔隙压密、扩展,致使岩石体积不断发生变化,从而表现出不同的力学特性。
因此,在探究岩石的损伤特性和本构关系时,必须充分考虑岩石体积变化的影响。
将宏观唯象损伤力学和非平衡统计的方法相结合,在深入研究孔隙岩石变形破坏特征的前提下,把岩石视为孔隙、损伤与未损伤三部分,但孔隙、损伤部分不承受力,采用Weibull分布描述岩石微元强度的随机特性,基于D-P强度准则,以动态孔隙率反映荷载作用下岩石体积的变化,确立含孔隙岩石的损伤本构模型。
通过峰值点处的几何条件,根据多元函数全微分方法以理论表达的形式确定模型参数。
最后通过砂岩力学特性试验验证模型的合理性,并进行岩石损伤力学特性分析。
考虑冻融作用对岩石损伤的影响,分别从损伤面积和微元破坏的角度方面进行探讨,得到冻融-荷载作用下的总损伤变量,从而建立了考虑冻融效应的含孔隙岩石损伤模型,并利用砂岩冻融循环和三轴压缩试验数据,验证了模型的合理性。
分析讨论了损伤变量和总损伤演化率随围压和冻融循环次数的变化规律。
结果表明:围压不变时,冻融循环的增加加剧了岩石的损伤,使得抗压强度降低,塑性增强;冻融次数一定时,岩石内部损伤随着围压的增大得到抑制,岩石表现为延性的不断增强,脆性逐渐减弱。
在分析岩石应变软化变形全过程的基础上,通过引入损伤因子,在常温及冻融-荷载共同作用两种情况下,确定了基于残余强度的含孔隙岩石本构模型,并与试验结果及相关参考文献理论曲线进行对比分析;讨论了模型参数m和Fo对本构模型和损伤特性的影响并明确了其物理意义;探讨了冻融循环及围压对岩石应变软化性质的影响程度。
裂隙岩体冻融损伤破坏机理及本构模型裂隙岩体是岩石中具有一定规律分布的裂隙系统，其中冻融循环会对岩体造成严重的损伤破坏。
本文将探讨裂隙岩体冻融损伤破坏的机理及本构模型，并进行理论分析和实验验证。
第一，因为裂隙岩体内的孔隙率较高，所以在冻结过程中会出现水体积膨胀，使得孔隙增大，岩体体积缩小。
当溶解出来的冰水在孔隙中蒸发时，孔隙的大小也会发生变化，从而对岩体的力学性能产生影响。
第二，冻融交替会使裂隙岩体内的裂隙受到周期性的应力变化，在一定的应力范围内会导致裂隙扩展或者塌陷，这也是岩体损伤破坏的主要原因之一。
根据上述机理，裂隙岩体的本构模型可以分为弹性和塑性两个阶段。
在常温下，岩体受到的应力较小，可视为线弹性，即应力和应变之间呈线性关系，符合胡克定律。
然而，在冻融交替过程中，岩体所受应力将在弹性极限之外，即达到塑性变形的临界点，这意味着岩体已经被破坏。
为了验证理论模型，我们进行了一系列的实验。
首先，我们采用钻孔样品的方法，将不同规模、不同密度、不同含水量的岩石样本进行采集。
在室温条件下，我们用气动性井喷打孔同轴钻孔的方法，将孔壁上形成的压缩带和拉伸带恢复到原始状态，来模拟常温下岩体的弹性状态。
接着，我们在样品中注入适量的水分，并将其置于低温环境中，反复进行冻融循环。
实验结果表明，随着冻融循环次数的增加，岩体的弹性极限明显下降，塑性部分增加。
而且随着孔隙率的增加，岩体的弹性极限降低越多，这与机理分析结果一致。
此外，我们发现，岩体内裂隙的分布状态对其力学性能影响也很大，若是裂隙分布越密集，岩体的损伤破坏越明显。
综上所述，裂隙岩体的冻融损伤破坏机理主要是由于水体积膨胀以及应力变化导致的，并且其本构模型可分为线弹性和塑性两个阶段，实验结果也验证了理论模型的可靠性。
针对此类岩体的破坏，应考虑控制水分含量和孔隙率，合理进行裂隙修复，以改善其力学性能。
基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型邓乃夫;乔兰;刘建;张庆龙;李庆文【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2024(55)2【摘要】为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系,运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。
基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程,并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式,实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。
其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势,反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律,符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。
随后,以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量,精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度,并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。
最后,基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数,完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解,进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。
研究结果表明:在煤岩及炭质泥岩的实例分析中,所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律,模型仿真结果与试验结果基本吻合。
【总页数】13页(P677-689)【作者】邓乃夫;乔兰;刘建;张庆龙;李庆文【作者单位】北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室;北京科技大学土木与资源工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU452【相关文献】1.基于细观损伤的岩石受压本构关系模型研究2.基于应变状态的岩石损伤演化模型3.基于微分动力学方程的相互关联网络故障传播联合演化模型4.基于声发射特性下的含骨料混凝土裂隙演化特性及其统计损伤本构研究5.静动载耦合作用下裂隙岩石损伤本构及演化特征因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
