浅论基于细观力学的脆性岩石损伤-渗流耦合本构模型研究

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1、河海大学博士学位论文基于细观力学的脆性岩石损伤-渗流耦合本构模型研究姓名：江涛申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：徐卫亚20060901摘要岩石的应力．渗流耦合问题是岩石力学中研究岩石与所赋存环境之间相互影响关系的一个重要分支。近年来，众多学者在岩石应力．渗流耦合机理、概念模型、数值方法等方面取得了众多研究成果，但仍存在诸多问题，目前仍是国内外的研究热点和难点。对于岩石应力．渗流的耦合机理和耦合模型，目前使用较多的仍是各种唯象的经验公式，不仅适用性差，而且力学概念、参数含义不清晰，缺乏理论上的严密性。本文旨在基于细观力学理论和方法，从岩石细观微裂纹在荷

2、载作用下的各种变化着手，通过研究细观尺度下岩石微裂纹的细观应力变形规律，借助局部化和均匀化的数学工具，建立基于细观力学的脆性岩石各项异性损伤本构模型和损伤．渗流耦合本构模型，并通过常规三轴试验和应力．变形过程中的渗透性试验对提出的模型进行验证。论文的主要工作与研究成果归纳如下：(1)较为系统地总结了岩体应力．渗流耦合问题各方面的研究进展和现状，包括岩石应力．渗流耦合的机理、概念模型、数值方法等子问题，指出了应力．渗流耦合研究中的不足之处，并对岩石细观损伤力学的研究现状进行了总结。在此基础上，提出了本文的主要研究内容。(2)基于细观力学理论及方法，首先建立了含

3、微裂纹脆性岩石细观损伤本构模型的基本假定和宏观．细观概念模型，并建立了细观尺度上微裂纹的位移不连续问断与局部应力场之间的关系；通过能量原理，推导出含微裂纹脆性岩石的宏观自由变形余能；将荷载下的微裂纹按张开裂纹和闭合裂纹分成两类，分别研究了两类微裂纹在应力增量作用下摩擦滑移及裂纹扩展的准则和演化方程，并基于能量原理分别推导了含单组张开或闭合微裂纹的岩石等效均匀柔度(或切线柔度)四阶张量；通过33个积分方向的单位球面积分，建立了基于细观力学的脆性岩石宏观各向异性损伤本构模型。对模型参数的物理含义进行了分析，编制了相关程序对模型进行数值模拟，并对模型的各主要参数进

4、行了敏感性分析。(3)从细观尺度出发，建立了脆性岩石渗流的基本假设和概念模型；在已建立的基于细观力学的损伤本构模型基础上，将损伤本构模型中计算得到的细观尺度损伤内变量——微裂纹密度和剪切滑移量作为中问量，引入损伤一渗流耦合本构模型的推导中，研究在荷载作用下损伤内变量的演化引起的脆性岩石细观微裂纹开度、密度及连通度等影响渗流诸要素的演化规律，最终通过均匀化方法建立了含微裂纹脆性岩石的等效多孔介质渗透张量随应力．损伤的演化规律。对渗透性影响最大的因素为微裂纹等效开度，对该要素进行了专门的研究。最后对建立的基于细观力学的损伤一渗流耦合本构模型进行了数值模拟和参数分

5、析。河海大学博士学位论文(4)为了对提出的损伤本构模型进行验证，在MTS815．02岩石力学侍服试验机上对白鹤滩水电站右岸高边坡玄武岩进行了常规三轴试验，在对试验成果进行定性分析的基础上，用本文建立的基于细观力学的脆性岩石损伤本构模型对试验结果进行了数值模拟。为了进一步验证模型，又从其他参考文献中选取了若干有代表性的脆性岩石三轴试验(包括花岗岩、灰岩、砂岩等)结果进行数值模拟。模拟结果表明，本文提出的损伤本构模型对不同岩性、不同围压条件下的脆性岩石三轴试验结果都能较好地进行模拟，具有良好的适应性。(5)采用MTS815．02岩石力学侍服试验机对洛古水电站坝基

6、玄武岩进行了不同围压条件下应力．变形过程中的渗透性试验，对不同围压对岩石渗透性演化规律的影响进行了定性分析。在此基础上，用本文建立的基于细观力学的脆性岩石损伤．渗流耦合本构模型对试验结果进行了数值模拟。此外还从各种参考文献中选取了有代表性的几组脆性岩石(花岗岩、中砂岩)渗流试验结果进行数值模拟，证明了基于细观力学的损伤，渗流耦合模型对宏观试验结果的适用性。关键词：岩石力学，细观力学，损伤力学，应力．渗流耦合，试验研究，本构模型，均匀化方法AbstractThecoupledprocessofstressandseepageinrockisoneofthemo

7、stimportantbranchesofmckmechanics，whichfocusesontheinteractionofrockandtherelatedenvironment．Manyscholarshaveachievedaseriesofresearchfindingsinthefidds0fmechanism，theconceptualmodelandnumericalsimulationmethodsofcoupledstress—seepageprocessinrecentyears．Buttherearestillmanyunsolve

8、dproblems，andit’sstillakey