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为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。 相似文献
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本文定义岩石构元中破裂面的分维值为各向同性损伤变量,而各个方向上裂纹面的累加量定义为各向异性损伤变量,并根据裂纹发育特征提出了损伤变量演化方程,从而建立起岩石脆性变形破坏过程的分维损伤本构模型。最后,利用该模型对大理岩单轴压缩应力应变曲线进行了模拟,结果说明本文提出的模型是较为合理的。 相似文献
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《岩土力学》2021,(3)
基于Hoek-Brown（H-B）准则,根据大量试验数据,研究提出一种具有广泛适用性的岩石应变软化模型。首先,利用40种硬岩和软岩三轴试验数据,验证了3参数幂函数型围压函数广泛适用于硬岩和软岩峰后临界塑性应变与围压的关系描述,并将其引入塑性内变量中;其次,比较分析当前基于H-B准则的岩石应变软化模型中软化参数的合理性,明确以GSI作为软化参数的方法最优,拟合结果正确且参数最少。然后,研究分析岩石峰后GSI随塑性内变量的演化规律,并建立一种普适的非线性演化模型。与其他演化模型相比,所建模型可更准确描述不同种类岩石峰后H-B强度参数的非线性演化规律,同时参数较少。接着,采用非关联流动法则,将所建GSI演化模型嵌入有限元软件ABAQUS中,实现软化模型的数值求解。最后,对多种岩石的室内试验模拟结果表明,所建模型可正确描述不同围压下硬岩和软岩的峰后应变软化变形及剪胀变形,具备良好的适用性。与定临界塑性应变或定剪胀角的应变软化模型模拟结果相比,所建模型模拟曲线可一致性地与试验曲线接近。 相似文献
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《岩土力学》2017,(5):1510-1516
亚塑性模型是以Jaumann应力率张量及变形率张量描述的一种率型本构关系,本构关系在非线性有限元分析计算中具有关键作用,解决用应变增量求解应力响应的问题需要一个时间积分过程。针对亚塑性本构模型发展了自适应隐式和显式两种不同的积分算法,给出了误差控制的方法,同时推导了自适应隐式积分算法所需的一致切向模量,并采用了两个不同的单元,利用ABAQUS平台比较了两种积分算法的数值模拟结果。为了实现从ABAQUS/Standard到ABAQUS/Explicit的过渡,开发了UMAT-VUMAT接口,从而可以使已有的UMAT子程序用于大变形动力问题分析。算例分析证明了研究结果的正确性。 相似文献
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基于Hoek-Brown（H-B）准则，根据大量试验数据，研究提出一种具有广泛适用性的岩石应变软化模型。利用40种硬岩和软岩三轴试验数据，验证了3参数幂函数型围压函数广泛适用于硬岩和软岩峰后临界塑性应变与围压的关系描述，并将其引入塑性内变量中；其次，比较分析当前基于H-B准则的岩石应变软化模型中软化参数的合理性，明确以GSI作为软化参数的方法最优，拟合结果正确且参数最少。然后，分析岩石峰后GSI随塑性内变量的演化规律，并建立一种普适的非线性演化模型。与其他演化模型相比，所建模型可更准确地描述不同种类岩石峰后H-B强度参数的非线性演化规律，同时参数较少。接着，采用非关联流动法则，将所建GSI演化模型嵌入有限元软件ABAQUS中，实现软化模型的数值求解。最后，对多种岩石的室内试验模拟结果表明，所建模型可正确描述不同围压下硬岩和软岩的峰后应变软化变形及剪胀变形，具备良好的适用性。与定临界塑性应变或定剪胀角的应变软化模型模拟结果相比，所建模型模拟曲线可一致性地与试验曲线接近。 相似文献
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用三维梁-颗粒模型BPM3D(beam-particlemodelinthreedimensions)对岩石类非均质脆性材料的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁-颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。在模型中,材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质均按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石类材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行研究。岩石类非均质脆性材料在单轴压缩状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。通过数值模拟结果之间的对比分析,揭示出岩石试样宏观破坏模式随细观层次上韦伯分布参数的变化而不同。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石类非均质材料的破坏机理进行了探讨。 相似文献
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基于混凝土塑性损伤本构模型,将可以表征材料和结构渐进破坏的损伤变量作为内变量,考虑了混凝土拉压异性的损伤变量,利用有限元软件ABAQUS,对丰满混凝土重力坝在经受地震作用下的结构损伤区域的发展变化进行安全性评价。在数值计算过程中,对于受地震荷载作用所引起的地面水平运动而导致大坝水位水平运动对坝体的影响,通过扩充后的广义Westergaard公式予以计算模拟。通过分析得到了丰满大坝在地震作用下的塑性损伤破坏情况,并评价了丰满大坝的安全性,亦说明利用损伤力学对大坝进行安全性评价是一个可行的方法。 相似文献
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基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究 总被引：1，自引：0，他引：1
大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。 相似文献
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基于损伤塑性模型的地下洞室结构地震作用分析 总被引：2，自引：1，他引：1
基于损伤力学原理,通过引入损伤变量的方法,详细推导了ABAQUS中的损伤塑性本构模型,描述混凝土后继屈服阶段及其卸荷后的损伤机制和力学行为。此本构模型可考虑循环荷载条件下材料刚度退化和应变率的影响,适用于类似混凝土材料的脆性材料,如岩石等。以某水电站地下厂房洞室结构为例,进行二维动力时程非线性分析,考虑不同的刚度恢复权重因子和应变率相关性对结构损伤的影响。多个数值算例表明：洞室混凝土结构和其周围一定深度的围岩的损伤是一个渐进积累的过程;材料的率相关性效应并不是在地震动作用开始时就立即产生,而是在一段时间后,结构经历一定程度的损伤后才慢慢体现出来;此损伤塑性模型适合地震荷载等循环荷载作用下地下洞室结构的动力时程非线性分析,尤其是强震下采用此损伤塑性模型是合理和必要的。 相似文献
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基于渐近展开法的脆性岩石双尺度方法初步研究 总被引：1，自引：0，他引：1
将渐近展开法与细观统计模型相结合,研究了脆性岩石双尺度计算方法。该方法在细观尺度定义材料属性,假定材料参数符合Weibull分布,采用弹性－理想脆性本构模型,脆断标准采用修正的Mohr-Coulomb准则和最大拉应力准则,通过宏细观尺度耦合计算,得到细观尺度材料损伤演化及其对结构宏观性状的影响。方法包括确定材料统计参数、确定细观尺度代表性体积单元（RVE）及求解边值方程等步骤。数值模型采用商业软件ABAQUS及其内嵌的UMAT用户子程序实现。该方法适用于岩石单轴受压或低围压应力状态,考虑到计算效率,计算时宜采用混合尺度,即模型重点（关键）部位采用双尺度,而其他区域采用单尺度计算。宏观尺度材料软化后未采用正则化方法,此时的计算结果有网格依赖性。 相似文献
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This paper presents a fabric tensor-based bounding surface model accounting for anisotropic behaviour (e.g. the dependency of peak strength on loading direction and non-coaxial deformation) of granular materials. This model is developed based on a well-calibrated isotropic bounding surface model. The yield surface is modified by incorporating the back stress which is proportional to a contact normal-based fabric tensor for characterising fabric anisotropy. The evolution law of the fabric tensor, which is dependent on both rates of the stress ratio and the plastic strain, rules that the material fabric tends to align with the loading direction and evolves towards a unique critical state fabric tensor under monotonic shearing. The incorporation of the evolution law leads to a rotational hardening of the yield surface. The anisotropic critical state is assumed to be independent of the initial values of void ratio and fabric tensor. The critical state fabric tensor has the same intermediate stress ratio (i.e. b value) and principal directions as the critical state stress tensor. A non-associated flow rule in the deviatoric plane is adopted, which is able to predict the non-coaxial flow naturally. The stress–strain relation and fabric evolution of model predictions show a satisfactory agreement with DEM simulation results under monotonic shearing with different loading directions. The model is also validated by comparing with laboratory test results of Leighton Buzzard sand and Toyoura sand under various loading paths. The comparison results demonstrate encouraging applicability of the model for predicting the anisotropic behaviour of granular materials.
相似文献14.
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考虑温度效应的岩石损伤内时本构关系 总被引：8，自引：0，他引：8
本文根据岩石类材料受载时的损伤破坏机理,首次引入两个损伤变量 D_1和 D_0用以反映外载荷体量和偏量的作用,在内时理论的基础上建立起考虑温度效应的岩石损伤本构方程,并导出具有明确物理意义的本构方程增量型关系式。在不同温度下用大理岩试样进行了压缩实验和声发射实验。根据实验所得结果,确定了本构方程中材料的所有参数,得到了大理岩材料受温度影响其性质发生变化的一些有意义的结论。 相似文献
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Strain gradient implies an important characteristic in localized damage deformation, which can be observed in the softening state of brittle materials, and strain gradients constitute the basic behaviours of localization failure area of the materials. The most important point in strain gradient is its damaging function including an internal length scale, which can be used to express the scale effects of mechanical responses of brittle rock mass. By extending the strain gradient theory and introducing an intrinsic material length scale into the constitutive law, the authors develop an isotropic damage model as well as a micro‐crack‐based anisotropic damage model for rock‐like materials in this paper. The proposed models were used to simulate the damage localization under uniaxial tension and plain strain compression, respectively. The simulated results well illustrated the potential of these models in dealing with the well‐known mesh‐sensitivity problem in FEM. In the computation, elements with C1 continuity have been implemented to incorporate the proposed models for failure localization. When regular rectangle elements are encountered, the coupling between finite difference method (FDM) and conventional finite element method (FEM) is used to avoid large modification to the existing FEM code, and to obtain relatively higher efficiency and reasonably good accuracy. Application of the anisotropic model to the 3D‐non‐linear FEM analysis of Ertan arch dam has been conducted and the results of its numerical simulation coincide well with those from the failure behaviours obtained by Ertan geophysical model test. In this paper, new applications of gradient theories and models for a feasible approach to simulate localized damage in brittle materials are presented. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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In this paper, a coupled constitutive model is proposed for anisotropic damage and permeability variation in brittle rocks under deviatoric compressive stresses. The formulation of the model is based on experimental evidences and main physical mechanisms involved in the scale of microcracks are taken into account. The proposed model is expressed in the macroscopic framework and can be easily implemented for engineering application. The macroscopic free enthalpy of cracked solid is first determined by approximating crack distribution by a second‐order damage tensor. The effective elastic properties of damaged material are then derived from the free enthalpy function. The damage evolution is related to the crack growth in multiple orientations. A pragmatic approach inspired from fracture mechanics is used for the formulation of the crack propagation criterion. Compressive stress induced crack opening is taken into account and leads to macroscopic volumetric dilatancy and permeability variation. The overall permeability tensor of cracked material is determined using a micro–macro averaging procedure. Darcy's law is used for fluid flow at the macroscopic scale whereas laminar flow is assumed at the microcrack scale. Hydraulic connectivity of cracks increases with crack growth. The proposed model is applied to the Lac du Bonnet granite. Generally, good agreement is observed between numerical simulations and experimental data. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献