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| 岩石含损伤本构模型和地下爆炸效应研究 |
| 刘文韬 |
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| STUDY ON THE DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL FOR ROCK AND THE EFFECTS OF UNDERGROUND EXPLOSION |
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摘要 通过对岩石变形和破坏机理的深入研究，建立了岩石类材料宏观、细观相结合的含损伤本构模型，并在此基础上开展地下爆炸效应和波传播规律的研究，分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，为提高准确预测地下岩石中强爆炸激发的地震震源的能力提供合适的计算方法和理论依据。
首先对岩石类脆性材料本构模型和地下爆炸效应的研究进展进行了较为全面、系统的回顾和总结，对现有的各种动态损伤模型进行了比较和评述，并对当前的研究热点及趋势作了讨论。在此基础上，得到了解决本课题理论难点的思路和方法。
采用Taylor方法，对Margolin的理论进行改进，考虑了不同应力状态下微裂纹的张开、闭合及裂纹面摩擦对裂纹体材料性质的影响，获得了轴对称应力条件下考虑摩擦的附加应变的各种解析表达式。针对工程需要进行简化，得到了不同应力状态下的有效模量，建立了含微裂纹损伤的本构模型。通过数值计算，研究了不同的应力状态、围压以及微裂纹面上的摩擦对材料力学性能的影响，得出一些有意义的结果和规律。
以热力学理论和本构理论为基础，计入了微孔洞和微裂纹对材料力学性能的影响，建立了一种改进的岩石类材料含损伤弹性本构模型：首次从热力学势函数和微裂纹统计平均方法出发，提出了同时考虑微孔洞和微裂纹影响的增量型应力-应变关系；基于实验结果，针对岩石硬化、软化和破坏等不同阶段的细观损伤机理和宏观变形特点，给出了具有不同函数形式的屈服面表达式；采用非相关流动法则，对Rubin模型加以简化并结合Griffith准则，分别建立了岩石类材料的塑性流动律以及微孔洞和微裂纹损伤的演化律。采用建立的含损伤本构模型成功地拟合了花岗岩三轴压缩试验数据，并获得了模型中的材料参数。
运用有限差分法研究了脉冲载荷下岩石介质中一维应变波的传播规律，着重分析了本构模型及其参数对一维应变波在岩石类损伤软化介质中演化规律的影响，并通过两种模型(弹塑性模型和含损伤弹塑性模型)的对比分析，提示了岩石类脆性材料中应力波传播的主要特点。
基于一维有限差分程序，嵌入改进的动态本构模型，对封闭式地下强爆炸开展数值模拟研究，着重分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，数值计算获得的速度和压力峰值衰减、位移和速度波形、爆炸空腔、震源函数等物理量，与国外地下试验及数值模拟结果十分接近，进一步验证了本构模型的有效性，从而提高了预测地下岩石中强爆炸激发的地震震源的能力，为空腔解耦研究打下基础。据作者所知，目前，国内这方面的工作尚未见到有类似的研究结果。
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| 关键词 ：
岩石,
微孔洞和微裂纹,
含损伤弹塑性本构模型,
地震震源,
非相关流动法则,
一维应变波,
地下爆炸
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收稿日期: 2002-10-15
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