【摘要】：蠕變是巖石非常重要的一種力學行為,嚴重影響著巖體結構的安全與穩(wěn)定。巖石蠕變破壞源于其內部蠕變斷裂的發(fā)展,因而建立有效的蠕變斷裂力學模型對于分析巖體結構蠕變破壞具有重要意義。離散虛內鍵(Discretized Virtual Internal Bond-DVIB)是一種新型格子模型(Lattice model)。其離散結構由鍵元胞(Bond cel)組成,每個鍵元胞可以具有任意幾何形狀及任意條鍵。一個鍵元胞可以看作為一個細觀顆粒,因而DVIB可以再現(xiàn)巖石細觀結構特征。元胞中每條鍵的能量由超彈性勢函數描述,元胞的宏觀本構關系則直接由鍵能函數導出。由于沒有引入任何小變形假設,因而DVIB可以模擬大位移、大變形斷裂過程。由于超彈性勢函數中已蘊含微觀斷裂機理,因而DVIB可以在不使用任何外部斷裂準則的情況下直接對材料斷裂過程進行數值模擬。DVIB在模擬斷裂方面具有很強的優(yōu)勢。由于原DVIB只考慮材料超彈性特征,還不能模擬材料蠕變行為�？紤]到DVIB基本元件為一維虛內鍵,而傳統(tǒng)蠕變物理模型也皆為一維物理元件組合,因而可以將物理元件組合作為一條虛內鍵而納入到DVIB框架中,這樣避免了蠕變方程的三維化,也使得斷裂機制自然地融合到力學模型之中,從而可以有效地對蠕變斷裂進行模擬。為了反映巖石粘彈性機制,首先在超彈性鍵基礎上并聯(lián)一個粘性體,構建一條超彈性開爾文(HK)鍵�；贖K鍵,推導了DVIB本構方程、建立了微觀粘性系數標定方法,給出了數值求解方法。模擬算例表明:HK-DVIB能夠有效地再現(xiàn)蠕變的三階段特征。模擬結果進一步顯示加速蠕變階段實質上為蠕變斷裂階段。HK-DVIB之所以能夠很好地再現(xiàn)蠕變的典型三階段特征,其原因在于HK-DVIB既能考慮巖石的粘性機理又能考慮微觀斷裂機理。此外,HK-DVIB還能在很大程度上再現(xiàn)巖石強度的率相關性及彈性后效。由于HK-DVIB對于鍵的變形速度很敏感,因而在蠕變初始加載階段會產生材料“過剛”現(xiàn)象。為了解決這個問題,在HK鍵基礎上又串聯(lián)了一條彈性鍵,構建了廣義超彈開爾文(GHK)鍵,推導了GHK-DVIB本構方程、參數標定方法及數值求解方法。數值模擬表明GHK-DVIB能夠有效地解決蠕變初始加載階段的材料“過剛”問題。為了模擬更復雜的巖石蠕變斷裂過程,需要多級物理元件組合。這種多級物理元件組合可以看作為一條多級串聯(lián)(Multistage Seris-MS)鍵。推導了MS-DVIB本構方程的一般表達式。參數標定及數值求解方法。為了展示MS-DVIB的求解方法,以西原模型(Nishihara)為例進行求解。通過這種一般表達式,可以將任意復雜的蠕變元件組合納入DVIB框架中進行求解。避免了組合元件的解析解求解問題。材料的宏觀蠕變行為完全是宏觀常應力邊界條件下的虛內鍵集體自然反應的結果。本文為巖石蠕變行為數值模擬提供了一種新方法。
【圖文】：

巖石在細觀上是由不規(guī)則礦物顆粒組成，這與鍵元胞結構具因此，DVIB 模型可以再現(xiàn)巖石細觀結構特征。DVIB 采用超彈性顆粒之間相互作用，能夠反映裂尖超彈性特征，可以更準確地模過程。DVIB 推導過程中沒有引入任何連續(xù)和小變形假設，它可大變形、大位移斷裂過程。本章將對 DVIB 基本方法做以介紹。IB 提出的背景B 源于虛內鍵（VIB）理論，， VIB 方法由 Gao and Klein[48,49]于 19種連續(xù)介質本構模型。與傳統(tǒng)連續(xù)介質模型之區(qū)別在于 VIB 認為離散材料顆粒組成。材料顆粒之間由虛內鍵聯(lián)結，材料宏觀本構函數直接導出。由于虛內鍵勢函數本身蘊涵了材料微觀斷裂機理模擬材料斷裂時無需任何外部斷裂準則。因而 VIB 在模擬斷裂方勢。該方法也已在納米、仿生材料、巖土工程等各個方面[50-54]得VIB 代表單元體如圖 2-1 所示，在微觀上由虛內鍵網絡組成。

上海交通大學碩士學位論文則iF 可表示為： 1IJ bi IJ IJ iI J I J I J bi i il lF l lu u u F (2剛度矩陣ijK 可表示為： 2221IJij IJI J I Ji j i jbIJ IJ ijI J bi j i jlK lu u u ul l ll l Ku u u u (2其中： 表示該鍵元胞中虛內鍵的條數， ! 2 !2! 1 2 表示該鍵元胞中節(jié)點的數量。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU45

【參考文獻】

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1 左清軍;吳立;李波;陸中s

本文編號：2619102