【摘要】：蠕變是巖石非常重要的一種力學(xué)行為,嚴重影響著巖體結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。巖石蠕變破壞源于其內(nèi)部蠕變斷裂的發(fā)展,因而建立有效的蠕變斷裂力學(xué)模型對于分析巖體結(jié)構(gòu)蠕變破壞具有重要意義。離散虛內(nèi)鍵(Discretized Virtual Internal Bond-DVIB)是一種新型格子模型(Lattice model)。其離散結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征。元胞中每條鍵的能量由超彈性勢函數(shù)描述,元胞的宏觀本構(gòu)關(guān)系則直接由鍵能函數(shù)導(dǎo)出。由于沒有引入任何小變形假設(shè),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(shù)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(shù)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(nèi)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(nèi)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(xué)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(chǔ)上并聯(lián)一個粘性體,構(gòu)建一條超彈性開爾文(HK)鍵�；贖K鍵,推導(dǎo)了DVIB本構(gòu)方程、建立了微觀粘性系數(shù)標定方法,給出了數(shù)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(jié)果進一步顯示加速蠕變階段實質(zhì)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(guān)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(chǎn)生材料“過剛”現(xiàn)象。為了解決這個問題,在HK鍵基礎(chǔ)上又串聯(lián)了一條彈性鍵,構(gòu)建了廣義超彈開爾文(GHK)鍵,推導(dǎo)了GHK-DVIB本構(gòu)方程、參數(shù)標定方法及數(shù)值求解方法。數(shù)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(fù)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(dǎo)了MS-DVIB本構(gòu)方程的一般表達式。參數(shù)標定及數(shù)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(fù)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(yīng)力邊界條件下的虛內(nèi)鍵集體自然反應(yīng)的結(jié)果。本文為巖石蠕變行為數(shù)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(jié)構(gòu)具因此，DVIB 模型可以再現(xiàn)巖石細觀結(jié)構(gòu)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(dǎo)過程中沒有引入任何連續(xù)和小變形假設(shè)，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(nèi)鍵（VIB）理論，， VIB 方法由 Gao and Klein[48,49]于 19種連續(xù)介質(zhì)本構(gòu)模型。與傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)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(nèi)鍵聯(lián)結(jié)，材料宏觀本構(gòu)函數(shù)直接導(dǎo)出。由于虛內(nèi)鍵勢函數(shù)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(nèi)鍵網(wǎng)絡(luò)組成。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)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(nèi)鍵的條數(shù)， ! 2 !2! 1 2 表示該鍵元胞中節(jié)點的數(shù)量。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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