基于微裂纹演化的岩石蠕变损伤与破裂过程的数值模拟研究

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1、基于微裂纹演化的岩石蠕变损伤与破裂过程的数值模拟研宄摘要：传统的岩石唯像蠕变模型忽略了岩石p、j在细观结构的时效损伤演化机制，无法从深层次上揭示杂工程条件下的岩石蠕变特性和时效破裂机理。为此，基于连续介质力学理论，提出了一种表征真实岩石介质的宏-细观双尺度概念模型。在此基础上，依据细观尺度下微裂纹瞬时扩展和亚临界扩展的物理机制，运用损伤力学与断裂力学理论，建立；r基于微裂纹演化的岩石细观单元蠕变损伤本构方程及其破裂准则。采用MATLAB软件编程将该细观蠕变损伤模型嵌入到COMSOL宏观有限元模型屮，实现了一种能够模拟岩石蠕变损伤与破裂演化全过程的数值模型。利用建立的数值模型

2、，对双轴压缩条件下岩石蠕变过程进行了数值试验，成功地模拟了岩石典型的3阶段蠕变特征，并以一种物理真实、可视化的方式深入揭示了岩石从细观时效损伤演化至宏观蠕变破裂的全过程。本文模型力进一步研究实际岩石工程的长期穏定性及地质灾害的预测预报提供了一种重要的途径与方法。关键词：微裂纹扩展；蠕变；损伤演化；破裂；宏-细观模型岩石蠕变是指在恒定应力持续作用丁发生的变形与破裂不断增长的现象,它与岩石工程的长期稳定性密切相关［11。大量的工程实践表明，闱岩的破坏与失稳过程往往具有明显的时间效应，如莊道垮塌与底臌、煤与瓦斯延期突出、煤层底板滞后突水等［2,3］。岩石的蠕变特性是导致这些工程围

3、岩吋滞性破坏现象的一个主要原因。如何科学、合理地描述岩石蠕变破裂过程，对于确保地下工程围岩的长期稳定性以及实现相关“时滞性”灾害科学预测和预报具有极其重要的理论与工程意义。目前，大部分的岩石蠕变力学特性研究通常采用流变元件组合模型(如Kelvin模型、Maxwell模型、Burgers模型等)来模拟岩石应力应变与时间的关系，这类模型将岩石时效变形特征归结为材料的粘性效应，对岩石的蠕变性态给予了数学上的定量描述，在实际工程中得到Y—定程度的应川［4】。然而，由于传统的流变元件是线性的，因而这类模型仅能描述岩石粘弹性或粘弹塑性的行为，而无法岩石的非线性加速蠕变特征。为此，不少学

4、者［5-7］考虑提出了具有非线性本构关系的流变元件，并将其加入到传统的线性流变元件模型屮，形成了能够模拟岩石蠕变全过程的一些非线性流变元件组合模型。此外，近年来还有一些学者［8,9］尝试采用损伤力学等手段，将损伤因子引入到岩石流变元件组合模型中，建立了非定常流变模型，较好地表征岩石蠕变的长时特征。但总的来讲，现有这些岩石蠕变模型大多是属于唯像模型，其对岩石蠕变性态只是数学上的拟合，而并没有考虑岩石内在微细观结构的时效损伤演化过程，缺乏对导致岩石宏观蠕变、破坏行为的细观物理机制的描述。研究表明［10］,岩石宏观变形与破坏特性是受其内部细观缺陷演化控制的，只有从细观角度出发，建

5、立多尺度耦合的力学模型冰能真正了解和掌握岩石介质破坏机理。为克服现有的传统宏观唯像蠕变模型的缺陷，最近一些学者发展/一些细观力学模型来研究岩石蠕变破裂过程，如文献［11］将岩石强度随时间劣化的经验方程引入到岩石破裂过程分析系统(RFPA)屮，建立了考虑流变效应的细观数伉模型，从一定程度上揭示了岩石蠕变破坏的本质；文献［12］建立了一个类似的细观力学模型，较好地描述岩石蠕变损伤与破裂过程。这些细观力学模型为研究岩石复杂的非线性蠕变破裂过程提供了一种较好的思路，然而这类模型的仍存在一个主要的缺陷就是对于细观尺度上岩石时效损伤演化方程仍是只采川了简单的唯象佔计,而忽略了实际岩石细

6、观结构的扩展演化信息，模型缺乏理论上的严密性，因而仍难以从深层次上来揭示实际复杂条件下岩石蠕变特性和时效破裂机理。鉴于此，本文拟从细观角度出发，在连续介质力学理论框架下，构建基于微裂纹演化的岩石蠕变损伤本构模型，并将其嵌入至宏观有限元模型中，深入探讨岩石细观时效损伤演化至宏观蠕变破裂的全过程，以期为实际岩石工程的长期稳定性分析及地质灾害的预测预报提供一种新的方法。1基于微裂纹演化的岩石蠕变损伤模型的建立1.1岩石介质宏•细观双尺度表征模型天然岩石介质内部往往包含着大似随机分布的微裂纹等细观缺陷结构，这些微裂纹缺陷在外部环境(载荷、时间等)变化的过程屮不断地发生扩展演化，进而

7、显著地改变了改变岩石的宏观力学性能。为从细观角度定量地分析这些微裂纹演化规律对岩石宏观变形与破裂过程的影响，我们假设岩石介质初始状态包含着随机分布的微裂纹，并且假设宏观岩石介质可以被进一步划分为一些列规则的细观单元，也可称之为代表性体积单元(REV)。这样，对于初始复杂的宏观岩石介质，我们就可以通过一个宏-细观双尺度的概念模型来进行表征，如阁1所示。具体来讲，在宏观尺度上，岩石介质可视为由若干规则的细观单元所构成；而在细观尺度上，毎个细观单元屮又包含了随机分布的微裂纹缺陷，细观单元的整体力学性能受这些微裂纹扩展演化