基于能量原理的岩石损伤研究

论文摘要

岩石损伤力学是八十年代发展起来的岩石力学研究的新分支,主要研究岩石在载荷作用下微裂纹、微孔洞发展,最后导致破坏的过程与规律。由于岩石力学性质的复杂性,目前还没有建立成熟和实用的岩石损伤演化模型和确定损伤临界值的方法,因此,建立更符合岩石力学性质的损伤演化模型和提出确定损伤临界值的方法具有重要的理论与实际意义。本文以最小耗能原理和内变量的概念为理论基础进而建立岩石类损伤材料的本构关系和损伤演化方程。首先,针对前人模型存在的问题,以岩石的各向同性弹性损伤为例,根据最小耗能原理在应变等效原理前提下提出了一种新的损伤演变模型,克服以上模型存在的问题,同时也给出了岩石损伤临界值的计算公式,并对三向应力作用下做了简单的探讨。其次,采用试验和岩石失稳工程分析软件(RFPA)分析花岗岩试块从细观损伤到宏观破坏的整个过程,并得出了在整个过程中的轴向应力应变关系曲线,并用数学分析软件Matlab得出了基于最小耗能原理的单轴压缩下应力应变关系图,并且将其与经典的Marzars损伤理论、数值模拟曲线进行对比研究,可以发现基于最小耗能原理的损伤演变方程更能反映岩块的损伤过程,且更符合实际情况。本论文的研究成果可为以后研究岩石三维损伤演变关系打下良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 损伤现象研究现状
• 1.3 损伤演化方程研究现状
• 1.3.1 国外研究状况
• 1.3.2 国内研究状况
• 1.4 常用岩石损伤模型概述
• 1.4.1 Loland模型
• 1.4.2 Marzars损伤模型
• 1.4.3 Sidoroff损伤模型
• 1.4.4 分段曲线损伤模型
• 1.5 问题的提出
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 岩石损伤力学基础
• 2.1 损伤力学的基本概念
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 损伤的类型
• 2.1.3 损伤变量
• 2.2 有效应力和应变等效性假定
• 2.2.1 有效应力
• 2.2.2 应变等效假定
• 2.3 岩石的损伤机理
• 2.3.1 岩石的一些基本性质
• 2.3.2 岩石的应力—应变关系
• 2.3.3 岩石的损伤机理
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于能量原理的岩块损伤演变研究
• 3.1 引言
• 3.2 最小耗能原理
• 3.3 最小耗能原理与最小熵产生原理的区别
• 3.4 用最小耗能原理解决问题的三种途径
• 3.5 最小耗能原理表达的损伤及其本构理论
• 3.6 基于最小耗能原理的岩块损伤演变研究
• 3.6.1 引言
• 3.6.2 基于最小耗能原理的岩块损伤演变方程
• 3.6.3 确定常数及损伤断裂临界值
• 3.6.4 损伤应变能密度释放率
• 3.7 三向应力作用下发生岩石的损伤演化方程
• 3.8 本章小结
• 第4章 岩石破坏过程的数值模拟
• 4.1 RFPA程序简介
• 4.2 长方体花岗岩单轴压缩试验数值模拟
• 4.2.1 基于最小耗能原理的损伤演变方程
• 4.2.2 与Marzars损伤模型的对比计算
• 4.3 圆柱体花岗岩单轴压缩实验的数值模拟
• 4.3.1 基于最小耗能原理的损伤演变方程
• 4.3.2 与Marzars损伤模型的对比计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果