岩石细观本构关系与统计损伤模型

岩石细观损伤力学基础-概述说明以及解释

1.引言

1.1 概述

在岩石力学研究领域，细观损伤力学是一个重要的研究方向。岩石作为一种复杂的非均质材料，其力学性质与内部微观结构之间存在着密切的关系。研究岩石的损伤力学，可以深入理解岩石在受力过程中的变形与破坏机理，为岩土工程和地质灾害预测提供科学依据。

细观损伤力学从微观尺度上研究岩石内部的微观破裂与变形行为。通过观察和分析岩石的细观损伤特征，可以揭示岩石的力学性能、破坏机理及其变形规律，从而为岩石力学与岩土工程领域提供重要的理论基础。

文章将介绍细观损伤力学的概念和研究方法，使读者对该领域有一个整体的认识。首先，将概述岩石细观损伤力学的研究背景和意义，介绍其在岩石力学中的应用价值。随后，将对文章的结构和内容进行说明，明确每个章节的主要内容。最后，明确研究的目的，即通过对岩石细观损伤力学的深入研究，为岩土工程的设计和施工提供理论指导并探索新的研究方向。

通过本文的细观损伤力学研究，我们希望能够为岩石力学领域的科研工作贡献出一份力量，为岩土工程的发展和地质灾害的防治提供有力支持。同时，我们也希望能够通过对岩石细观损伤力学的研究，探索出更加准确、可靠的岩石力学模型，并为岩石材料的性能评价和工程实践提供参考依据。

1.2文章结构

文章结构部分的内容：

文章主要分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分概述了文章的主题和研究对象，说明了岩石细观损伤力学的重要性和应用领域。同时，简要介绍了文章的结构，以帮助读者理解整个文章的脉络和内容。

正文部分主要包括两个内容：岩石细观损伤力学的概述和岩石细观损伤力学模型。

在岩石细观损伤力学的概述中，首先介绍了岩石的组成和结构特点，以及岩石在受力作用下的行为。然后，探讨了岩石细观损伤力学的基本概念和理论基础，包括损伤、断裂和弹性等基本概念，为后续的模型建立打下基础。

在岩石细观损伤力学模型部分，列举了目前常用的岩石细观损伤力学模型，如弹塑性模型、松弛模型等。详细介绍了每个模型的原理和适用范围，以及模型的优缺点和应用情况。

【国家自然科学基金】_本构关系模型_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731

序号科研热词推荐指数序号科研热词1本构模型191本构关系2本构关系172本构模型3混凝土83混凝土4数值模拟84岩石力学5有限元法65数值模拟6有限元66有限元分析7岩石力学57损伤8细观力学48非线性分析9损伤49蠕变10非饱和土310黏弹性11非线性有限元311钢管混凝土12蠕变312试验研究13数值分析313粘弹性14固体力学314稳定性15力学性能315砂土16黏弹塑性模型216有限元17高速切削217数值分析18非均质混凝土218非线性19随机骨料模型219钢纤维混凝土20锯齿切屑220钢筋混凝土21铝合金221粘结滑移22钢筋混凝土结构222沥青砂23裂隙岩体223橡胶24薄层单元224本构方程25耦合225形状记忆合金26统计226应变软化27结构工程227应力-应变关系28热力学228各向异性29流变229高温变形30泥质海床230高强度铝合金31波浪衰减231非饱和土32板料成形232非线性流变模型33本构233随机损伤34有限元分析234道路工程35有限元仿真235连续本构模型36时效236边坡稳定性37断裂过程区237轴向运动梁38数值模型238蠕变实验39收缩239聚氨脂泡沫40损伤演化240细观损伤41损伤变量241细观力学42振动242约束混凝土43拉软化曲线243粘滞阻尼器44拉拔试验244突变理论45徐变245神经网络46弹塑性本构246碳纤维47应变速率247破坏48应变局部化248砂岩49应力路径249温拉伸50应力波250液压锤51应力-应变关系251液化52应力252流动法则2008年2009年53峰值应力253模型参数54岩石254模型55多孔介质255摩阻力56多向裂缝256损伤累积57塑性257振动58基质吸力258承载力59各向同性259弹塑性60优化260应力路径61三维本构模型261屈服强度62shpb262大变形63johnson-cook本构263多孔介质64黏结强度164塑性65黏弹性165型钢混凝土柱66黏弹塑性166固体力学67黏塑性167含瓦斯煤岩68高阶剪切变形理论168变形全过程69高温高含冰量冻土169反分析70高温力学行为170动态本构关系71高强混凝土171动力特性72高应变速率172动力性能73马兰黄土173加载速率74饱和黏土174力学模型75饱和砂土175剪胀76饱和土176分数导数77饱和-非饱和渗流177仿真研究78颗粒流178仿真79预应力混凝土梁179临界状态80预应力180三轴试验81面板堆石坝181weibull分布82非饱和岩石182kelvin模型83非线性静力有限元分析183burgers模型84非线性数值分析184黏性系数85非线性分析185黏弹塑性模型86非线性186黏塑性87非定常参数187高速率成形88非均匀流动188高速本构方程89非均匀性189高速压制90非共轴190高强箍筋91静动力剪切特性191高强混凝土92静力性能192高应变率93震源函数193高导无氧铜94震害分析194高塑性粘土95隧道工程195驱动器96隧道196饱和黏土97隔震体系197饱和度98随机损伤198风化99随机分布199颗粒破碎100陶瓷基复合材料1100颗粒温度101阪神地震1101颗粒材料102镍钛形状记忆合金1102频率响应103锚固长度1103预应力切削104锚固损伤模型1104韧性105锚固参数1105韦伯分布106锈蚀1106面心立方(fcc)单元胞模型

岩石爆破损伤范围及损伤分布特征模拟分析

黄佑鹏;王志亮;毕程程

【摘要】为了研究岩石爆破损伤范围及损伤分布规律,基于LS-DYNA软件,采用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)材料模型,探究了石灰岩爆破损伤范围随径向不耦合系数K增大的变化关系,接着对比分析了石灰岩、凝灰岩和花岗斑岩的爆破损伤分布规律,并用Logistic函数模型对损伤演化过程进行表征.结果表明:HJC模型在岩石爆破损伤模拟中具有很好的适用性;随着不耦合系数的增大,损伤半径与炮孔半径之比呈先快后慢的减小趋势;不同岩石的爆破损伤均呈反\"S\"形曲线衰减,但损伤分布特征存在一定差异性,石灰岩和凝灰岩的压碎区范围较大,与裂隙区界线清晰,而花岗斑岩压碎区范围较小,与裂隙区界线不明显.研究结果可为实际工程中爆破损伤的评估与控制提供一定参考.

【期刊名称】《水利水运工程学报》

【年(卷),期】2018(000)005

【总页数】8页(P95-102)

【关键词】岩石;单孔爆破;损伤演化;HJC模型;数值模拟

【作者】黄佑鹏;王志亮;毕程程

【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院, 安徽合肥 230009;合肥工业大学土木与水利工程学院, 安徽合肥 230009;合肥工业大学土木与水利工程学院,

安徽合肥 230009

【正文语种】中文【中图分类】TU45

爆破开挖在隧道掘进和煤岩开采等诸多方面应用普遍，具有快速高效的优点。炸药爆炸一般在极短时间内产生很高压力，通过应力波和爆生气体综合作用使岩石发生破碎[1]。由于炸药性能、装药结构、介质性质、地质条件等因素的复杂性，爆破效果可控性不高，容易产生不利影响，如爆炸波对预保留岩石的损伤效应会降低施工质量，影响工程安全。因此，为了合理分析和有效控制岩石动态损伤，必须对岩石爆破问题进行深入研究。

岩石爆破损伤指的是爆炸荷载作用下岩石的破坏效应，即岩石的压碎和开裂。通常采用变量D来描述损伤程度，D=1表示岩石完全压碎，D=0表示岩石完整。岩石爆破中，一般根据岩石破坏程度，以炮孔为中心由近及远依次分为压碎区、裂隙区和弹性震动区[1]，而工程中重点关注的是压碎区和裂隙区。迄今，国内外研究人员均对爆破损伤开展了大量研究：左双英等[2]通过模拟隧道爆破开挖，探讨了爆破诱发的质点振动衰减特征及围岩损伤分布规律，并预估岩体开裂深度和爆破损伤影响范围；周燕等[3]对台阶爆破相邻炮孔间损伤范围进行模拟研究，得出两孔间损伤百分比随孔距增大而减小随后趋于定值的结论；胡英国等[4]通过自定义拉压损伤定量计算模型，对溪洛渡高边坡保留岩体的爆破开挖损伤效应进行了数值模拟；杨建华等[5]研究分析了隧洞开挖重复爆炸荷载作用下围岩的累计损伤特性；Yu等[6]研究了钻爆法对砂岩的破坏效应，指出砂岩的损伤程度随加载速率增加而增加；戴俊[7]利用Mises强度准则，并考虑岩石三向受力及其强度的应变率效应，导出柱状药包爆炸岩石压碎圈与裂隙圈半径计算公式；Esen等[8]基于压碎圈指数，提出了压碎区范围的计算公式；Sim等[9]通过裂纹扩展准则和气体质量守恒模拟岩石裂隙扩展，并基于裂隙应力强度因子来确定裂隙扩展长度。就研究方法而言，由于爆破试验成本较高、耗时长，目前采用数值分析程序来模拟岩石的爆破损伤仍是一种简便高效的研究方法。

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析

第23卷第21期

岩石力学与工程学报

23(21)：3577～3583

2004年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

Nov.，2004

2003年12月8日收到初稿，2004年2月8日收到修改稿。

* 国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412708)及国家自然科学基金(50279016)资助课题。

作者杨强简介：男，1961年生，博士，1986年毕业于清华大学水利水电工程系水工结构专业，现任教授，主要从事水工结构方面的教学与研究

工作。E-mail：yangq@。

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析*

杨强陈新周维垣

(清华大学水利水电工程系北京 100084)

摘要常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用，难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的变

形局部化剪切带的形成过程，因而，不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路，

基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料弹塑性损伤模型，研究均质材料在外部环境作用下由于损伤和塑性

的耦合导致的局部化剪切带的形成过程。对基体材料服从Drucker-Prager准则的球形孔洞体胞单元提出了一个塑

性损伤屈服面，为了反映岩土材料在拉应力和压应力作用下不同的孔洞形成机理，分别采用了球形拉应力和塑性

应变的成核机制来建立孔隙率的演化方程，根据塑性损伤屈服面和孔隙率的演化方程，导出了关联流动法则下的

岩土材料塑性损伤本构方程。将笔者提出的岩土材料弹塑性损伤模型，通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软

件MRAC中。为了研究塑性和损伤的耦合作用，分别采用Gurson弹塑性损伤模型和Mises弹塑性模型，对Tvergaard

关于自由表面有周期性分布微小形状缺陷的半无限大板在平面应变拉伸作用下剪切带的形成进行了数值模拟，计

【国家自然科学基金】_损伤本构关系_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801

序号科研热词推荐指数序号科研热词1本构关系61混凝土2损伤62损伤3本构模型43本构模型4固体力学44岩石力学5细观力学35本构关系6有限元法36数值模拟7数值模拟37弹塑性8岩石力学38随机损伤9非均质混凝土29细观损伤10随机骨料模型210破坏11统计211损伤累积12本构212塑性应变13损伤演化213单轴压缩14损伤变量214非饱和土力学15饱和土115非线性分析16颅脑系统116非均质17非饱和岩石117非均匀性18非线性静力有限元分析118隧道19非线性动力响应119随机变量20非完整标架120陷落柱21非均匀性121闪长岩22震害分析122铝泡沫23随机损伤123铁磁材料24随机分布124钢纤维混凝土25陶瓷基复合材料125钢筋混凝土梁26阪神地震126透反射系数27锚固损伤模型127边界面28锚固参数128轴压29钢结构129误差分析30钢筋混凝土双肢剪力墙130试验验证31钢筋混凝土131试验研究32钢板132蠕变试验33调压井133花岗岩34裂隙岩石134节理岩体35裂隙岩体135能量等效应变36蟠变136综述37虚位移原理137结构缺陷38节理岩体138细观力学模型39腐蚀特征139突水40腐蚀140磁通量变化41脑损伤141磁力学模型42能源地下储存142破坏形貌43耦合模型143砂岩44耦合144疲劳损伤45空间145电磁辐射(eme)46破坏146爆轰物理47直接剪切试验147爆炸力学48界面148煤岩变形破裂49物理非线性149煤岩50混凝土衬砌150热力耦合作用51混凝土151温度损伤52浅球壳152混凝土盐冻损伤本构模型2008年2009年53横观各向同性153流变模型54横向剪切154流变机制55有限元155水物理化学作用56更新拉格朗日构形156水泥石57晶界157水工材料58数值验证158水压59数值试件159氧化锌晶须60数值分析160正交各向异性薄板61数值仿真161核武器62损伤演化方程162本构方程63损伤模型163有限损伤域64损伤因子164有限塑性域65损伤值165有限元显式解法66拟塑性应变张量166无损检测67微空穴167新的本构模型68微分几何168数值模型69弹性模量169数值分析70弹性损伤170数值仿真71弹塑性171损伤阀值72应变软化172损伤演化73应变等效假设173损伤模型74应力-水流-化学耦合174损伤本构75应力-应变曲线175损伤指标76峰值应力176损伤变量77岩锚支护177损伤力学78岩石178损伤分析79层状盐岩179振动响应80安全设计180持续荷载81多孔介质181截面非线性分析82塑性累积损伤182微元强度83塑性区分析183循环荷载84塑性184循环本构85地震作用185归一化86地铁车站186强冲击载荷87地下洞室群187弹塑性纤维88唯象188弹塑性损伤模型89各向同性189弹塑性屈曲90变形非协调190弹塑性力学特性91变化规律191弹塑性分析92双重介质192应力波93双晶体193应力增强94压缩试验194应力场95单轴压缩试验195应力-应变关系96动态本构模型196带孔岩板97动态力学性能197嵌入势98力学性能198对泛函势99几何拓扑199对势100冻结砂土1100多孔介质101低速冲击1101复合材料层合板102三轴压缩试验1102声发射103shpb系统1103增量理论104shpb1104地下工程105riemann1105围压效应106kevlar/环氧树脂层合材料1106含瓦斯煤岩

岩土工程中的土体本构模型

岩土工程是土木工程的重要分支，涉及到土壤和岩石的力学性质和工程应用。土体本构模型是岩土工程中的一个重要内容，它描述了土体在力学应力下的变形和破坏特性。本文将探讨岩土工程中的土体本构模型的基本概念、应用和发展趋势。

1. 土体本构模型的基本概念

土体本构模型是描述土体力学性质的数学方程，它可以预测土体在受载时的应力应变关系。本构模型通过考虑土体的物理和力学性质，将复杂的土体行为简化为一组数学方程。常见的土体本构模型包括弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等。这些模型的选择取决于土体类型、应用场景和工程目的。

2. 土体本构模型在工程应用中的意义

土体本构模型在岩土工程实践中具有重要的意义。首先，它可以帮助工程师预测土体在给定荷载下的力学行为，从而指导工程设计和结构计算。其次，本构模型可以用于评估不同土体材料及其组合的工程性能，为灾害防治、基础工程和地下结构的设计提供依据。此外，本构模型还可用于优化工程方案、确定合理的土体参数、分析土体的稳定性和变形特性等。

3. 土体本构模型的发展趋势

随着岩土工程的发展和研究的深入，土体本构模型也得到了不断的改进和扩展。其中，主要的发展趋势有以下几个方面：

3.1 多尺度力学模型

传统的土体本构模型通常是基于宏观尺度的实验数据和现象观察，对于细观结构的影响不够准确。近年来，研究者们开始关注多尺度土体力学模型的研究，通过考虑微观尺度的土体结构和介观尺度的物理机制，进一步提高土体本构模型的精度和可靠性。 3.2 加载历史效应的考虑

土体在实际工程中受到的荷载通常是动态和变化的，而传统的土体本构模型往往只考虑静态荷载。研究者们开始研究加载历史效应对土体行为的影响，并尝试将土体本构模型与土体的加载历史联系起来，从而更准确地预测土体的行为。

3.3 细粒土本构模型的改进

细粒土是岩土工程中常见的一种土体类型，其特点是颗粒细小、颗粒间结构复杂。传统的土体本构模型在描述细粒土的力学性质时存在一定的限制。近年来，研究者们通过改进土体微观结构模型、引入细观机理分析等方法，提出了一系列适用于细粒土工程问题的本构模型。

静载荷与循环冲击组合作用下岩石损伤本构模型研究

何聪;金解放;周学进;程昀;昌晓旭;袁伟

【摘要】Establishing a suitable damage constitutive model of rock is of

great significance to study the dy-namic mechanical characteristics of rock

subjected to coupled static loadings and cyclic impacts. Firstly, the

parameter of cyclic impact times was introduced to the damage

constitutive relation of rock with the relation-ship between the elastic

modulus of rock and the accumulative damage variable which based on

the evolution model of damage accumulation of rock subjected to coupled

static loadings and cyclic impacts. Secondly, com-bining the statistic

damage model and visco-elastic model, a rock dynamic damage

constitutive model was es-tablished under the axial pressure and the

confining pressure and cyclic impacts based on the Drucker-Prager failure

criterion with the assumption that the rock micro unit strength complied

岩石材料的蠕变实验及本构模型研究

流变学作为力学的一个分支,主要研究材料在应力、应变、温度、辐射等条件下与时间因素有关的变形规律,所涉及的内容包括蠕变、应力松弛和弹性后效等。蠕变是影响岩体稳定性的一个重要因素。

软弱岩石在受到较低水平的应力作用时,就会产生明显的蠕变现象,如软岩巷道中的底鼓,即使是很坚硬的岩体,在高应力作用下同样会产生蠕变,从而影响到工程的功能和使用。因此,需要对岩石材料的蠕变行为进行深入研究,力求从本质上揭示其蠕变行为的特征。

本文通过实验研究和理论分析,得到了盐岩的基本力学参数,并研究了盐岩在不同应力条件下的力学特性和蠕变行为。以经典蠕变模型为基础,结合分数阶微积分理论,构建了一个新的蠕变模型,并利用盐岩、泥岩和煤岩的蠕变实验数据对其进行了验证。

(1)对盐岩材料进行了多组单轴和三轴压缩实验,并在每组实验中选取三个试样重复进行实验,以此来降低实验的随机性和试样个体的差异性。结果三个试样的测试结果比较接近,此批试样的个体差异性较小。

此外,常规压缩实验的结果还表明随着围压的增大,抗压强度和最大应变会随之增大。(2)在单轴蠕变实验中,选取了四个轴压水平来进行实验,分析了不同轴压对蠕变的影响。

当轴压水平越大时,加速蠕变阶段就会越早地出现,并且稳定蠕变应变率也会越大。与单轴蠕变相比,当材料受到一个较小的围压作用时,其蠕变行为也会发生巨大的变化,例如蠕变应变率大幅下降、蠕变时间大幅增长、加速蠕变阶段缺失等。 (3)通过分析不同应力条件下的蠕变应变率可以发现,稳定蠕变应变率与轴压大小呈线性关系,加速蠕变应变率与轴压大小也呈现出正相关性。此外,蠕变等时曲线表明随着时间的延长,轴压大小对蠕变的影响会越来越明显。

相反,围压会明显地降低蠕变应变率并抑制蠕变行为的发展。(4)结合分数阶微积分理论构建了一个新的非线性蠕变模型,并利用广义塑性力学理论和张量分析理论对新模型在三轴应力状态下的蠕变方程进行了推导。

【国家自然科学基金】_细观非均匀性岩石_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731

序号科研热词推荐指数序号科研热词1数值模拟41非均匀性2非均匀性22数值模拟3破坏过程23岩石力学4弹塑性损伤24高压注水5大理岩25随机损伤6非均匀性,损伤,数值模拟16采矿工程7随机分布17轴拉破坏8细观破裂过程18能量平衡9破坏19细观破裂过程10直接拉伸110祁南煤矿11本构关系111破裂过程12断裂形态112破坏单元网格消去法13数字图像113瞬态热传导14数值试验114煤与瓦斯突出15抗拉强度115热-力耦合16应力-应变全过程曲线116混凝土结构17并行计算117概率模型18平台巴两盘118柱状节理岩体19平台中心角119数字图像20岩石力学120拉应力区21分形121弹塑性损伤22thm耦合122张拉破坏23应变软化24应力跌落25尺寸效应26各向异性27卸压带28剪切破坏29voronoi算法2008年2009年

基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究

Vol.42 No. 10Oct. 2021第42卷第10期2021年10月岩土力学Rock and Soil Mechanics

DOI： 10.16285/j.rsm.2021.0339

基于CT的岩石三维裂隙定量表征及

扩展演化细观研究

张艳博徐跃东】，2,刘祥鑫1，2,姚旭龙"，王帅1,2,

梁鹏1，2,孙林1.2,田宝柱1,2

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210； 2.华北理工大学河北省矿、lk开发与安全技术重点实验室，河北唐山063210)

摘要：岩石破裂是裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程，为了研究受载岩石发生变形破坏时其内部裂纹动态扩展演化过程，利用工业CT对岩石破裂过程进行阶段性观测扫描，通过CT图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型，并对裂纹结构特征参数进行统计分析，定量化表征岩石破裂过程中裂纹扩展情况。在此基础上，提取裂纹扩展路径上的局部破坏形态特征，结合岩矿鉴定试验进行细观尺度分析研究。研究结果表明：利用裂隙体积卩、表面积S及分形维数Q等参数可以将•:维裂隙扩展过程量化，且参量呈现基本不变一小幅增大一大幅激增的变化规律：CT切片图像中裂纹面积可以表征岩石局部裂纹扩展特征，且与同阶段三维裂隙的扩展演化特征相对应；岩石细观结构对裂隙扩展影响较大，裂隙扩展遇到砾石将形成绕砾扩展、穿砾扩展及分叉扩展3种方式。该研究成果将为岩石失稳破坏、工程岩体致灾预警工作提供研究基础。关键词：CT扫描；裂纹演化；三维重构；量化表征；扩展特征中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000—7598(2021) 10—2659—13

Quantitative characterization and mesoscopic study of propagation and

evolution of three-dimensional rock fractures based on CT